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Targetproteine - Definition:

Targetproteine sind Biomoleküle, die von Wirkstoffen adressiert werden. Dadurch wird ihre biologische Funktion gesteuert. Die Identifikation von Targetproteinen sowie deren Untersuchung im Rahmen von Signaltransduktionsprozessen und das Verständnis ihrer Wechselwirkungen mit Liganden sind zentrale Elemente moderner biomedizinischer Forschung. Dies betrifft neben der Molekularbiologie und der molekularen Pharmakologie insbesondere die pharmazeutischen Wissenschaften, da Targetproteine als Angriffsorte für Arzneistoffe genutzt werden. Targetproteine kontrollieren die Wirkung von Arzneistoffen, aber auch deren Kinetik im Organismus. Die Aufklärung von Struktur, Konformationsverhalten und Katalyseeigenschaften spezifischer Targetproteine ermöglichen ein rationales Design von Wirkstoffen und biotechnologischen Prozessen. Targetproteine stellen im Rahmen der Therapie mit „Biologicals“ aber auch selbst Arzneistoffe dar, deren Modifikation und Formulierung im Fokus der pharmazeutischen Wissenschaften stehen. Schließlich können Targetprotein-Induktor-Wechselwirkungen für biomolekulare Transkriptions-Schaltsysteme eingesetzt werden, um beispielsweise gentherapeutische Maßnahmen zu kontrollieren.

Identifikation von Targetproteinen

Targetprotein-Ligand-Wechselwirkungen

Targetproteine in der Signalleitung

Target­pro­teine der Wirkstoffkinetik

Targetproteine - Struktur und Katalyse

Targetproteinmodifikation und -formulierung



Identifikation von Targetproteinen:

Die Arbeits­gruppen des LS für Biochemie und Molekulare Medizin befassen sich mit der Aufklärung von in die neuronale Signal­über­tra­gung ein­ge­bun­de­nen synap­ti­schen Targetproteinkomplexen und deren Funkti­ons­störungen bei neuro­logi­schen Krank­heiten. So konnte ein intra­zellu­lä­rer Ca2+-Kanal als molekularer Kom­plex­partner des NMDA-Rezeptors identi­fi­ziert wer­den. Am LS für Pharmakologie und Toxikologie werden die molekularen Mechanismen der Erregungsbildung- und weiterleitung im Herzen sowie Struktur und Funktion verschiedener neuronaler Kationenkanäle untersucht. Molekulare Entstehungsmechanismen einzelner Zelltypen des Nervensystems und ihre Regulation durch Transkriptionsfaktoren stehen im Zentrum der Forschung des LS für Biochemie und Pathobiochemie. Der LS für Biochemie und Molekulare Medizin neuartige Proteinmarker, die für die Lebensmittelanalytik zur Überwachung der Lebensmittelsicherheit dienen. Lebensmittelinhaltsstoffe stellen Wirkstoffe dar, die nicht nur im gesunden Organismus wichtige Funktionen aufrecht erhalten, sondern auch den Verlauf zahlreicher Krankheiten beeinflussen, wobei die Wirkungen direkt oder indirekt über Proteininteraktionen vermittelt werden. Am Lehrstuhl für Lebensmittelchemie werden deshalb durch systematische Screeningverfahren physiologisch wirksame Komponenten, vor allem Zuckerabbauprodukte, in Lebensmittel identifiziert. Mit dieser Methode konnten zum Beispiel Strukturen identifiziert werden, die zur einer Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB führen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Analyse von Aromastoffen und ihren Wechselwirkungen mit anderen Lebensmittelbestandteilen, bzw. Targetproteinen (Enzymen, Rezeptoren) im menschlichen Organismus. 

Targetprotein-Ligand-Wechselwirkungen:

Um neuartige neurotrope Wirk­stoffe zu entdecken sowie die molekulare Funktion und Lokalisation von Signal­pro­teinen aufklären zu können, werden am LS für Pharmazeutische Chemie nie­der­mole­kulare Liganden gezielt synthe­ti­siert und in vitro auf ihre biologische Aktivi­tät untersucht. Als Target-Proteine werden G-Protein gekoppelte Neuro­re­zep­to­ren, Tet-Repressoren sowie Prionen adressiert. Folgende Schwerpunkte sind von besonderem Interesse:

  • Design und Synthese neuartiger, subtypselektiver Dopaminrezeptor-Agonisten, Partialagonisten und -antagonisten als neuartige antipsychotische Wirkstoffe

  • Untersuchung molekularer Sonden zur Entwicklung spezifischer Radioliganden für PET und SPECT

  • Peptidische und nicht-peptidische Neurotensinrezeptoragonisten zur indirekten Kontrolle dopaminerger Systeme

  • Festphasen unterstützte Methoden und ihre Anwendung zur Entdeckung von GPCR-Liganden

  • Synthese neuartiger Tetracyclin-Repressorinduktoren

  • Entdeckung von Wirkstoffen zur spezifischen Behandlung Prion vermittelter Erkrankungen 

Die Arbeitsgruppe aus dem Bereich der Organische Chemie fokussiert sich auf die Synthese von organischen Molekülen und deren Intermediaten, die als Liganden für die Untersuchung von Protein-Ligand-Wechselwirkungen relevant sind. Hierbei werden zwei unterschiedliche Anwendungsgebiete adressiert. Beim Screening nach neuen Liganden spielt die Entwicklung möglichst flexibler Synthesekonzepte, die sich in modularer Weise zur schnellen Herstellung von Ligand-Bibliotheken eignen, eine wichtige Rolle. Ziel ist hierbei der Aufbau einer Vielzahl von verwandten Verbindungen, die eine gewünschte „lead structure“ als gemeinsames wesentliches Strukturelement beinhalten. Erreicht wird dies über Synthesetechnologieplattformen, bei denen Schlüsselschritte einer (ggf. enantioselektiven) Synthese mit einer Vielzahl unterschiedlicher Vertreter einer Substratklasse in effizienter Weise verlaufen. Ein zweites Anwendungsgebiet liegt in der Entwicklung leistungsstarker Synthesemethoden für ausgewählte, in pharmazeutischen Studien identifizierter Ligand-„Hits“. Hierbei steht die Prozessentwicklung für ein bestimmtes Molekül (Ligand) im Vordergrund, bei der nun verfahrensrelevante Aspekte wie Umsatz, Enantiomerenüberschuss, Raum-Zeit-Ausbeute eine wichtige Position einnehmen. Ziel dieses Anwendungsgebiets ist die Bereitsstellung von ausreichenden Mengen (bis in den 10g-Maßstab) des ausgewählten Liganden für z.B. ausgedehntere pharmazeutische / präklinische Studien durch die jeweiligen pharmazeutischen / medizinischen Gruppen. Die Arbeitsgruppe Bioinformatik befasst sich mit der strukturellen Charakterisierung von Protein-Ligand Komplexen. Das wesentliche Ziel ist ein molekulares Verständnis der Faktoren, die die Affinität und Spezifität der entsprechenden Wechselwirkungen bedingen. In diesem Zusammenhang kommen Techniken wie Molekülmodellierung, Moleküldynamik-Simulationen und energetische Analysen zum Einsatz. Diese Methoden werden zum Beispiel verwendet um die Resistenzentwicklung der HIV-Protease gegen bestimmte Inhibitoren zu verstehen, oder um Wirkstoffe zu identifizieren, die die Aggregation des ß-Amyloids der Alzheimer’schen Erkrankung verhindern. Am LS für Pharmakologie und Toxikologie wird die Wechselwirkung von blockierenden Substanzen mit Schrittmacherkanälen durch Untersuchungen an heterolog exprimierten Kanälen analysiert.

Targetproteine in der Signalleitung:

Um die Rolle von Targetproteinen in der nukleären Signal­leitung zu verstehen und darauf aufbauend effiziente, von außen steuerbare künst­li­che Signalstrukturen für die Expressionssteuerung von beliebigen Targetproteinen zu kon­struieren, werden am LS für Mikrobiologie das Kataboliten-Kontroll Protein CcpA und der Tet Repressor in ihren Wirkungsweisen mechanistisch aufgeklärt.8 Mit der Methode der gerichteten Evolution werden die Signalgeber für diese Targetproteine in Zusammen­arbeit mit dem LS für Pharmazeutische Chemie variiert und ihre Interaktion mit den Target­proteinen quantitativ bestimmt. Die von den Signalgebern ausgelösten Struktur­ände­rungen der Targetproteine werden biophysikalisch bestimmt und gewünschte Eigen­schaf­ten zur Konstruktion von transgenen Krankheitsmodellen ausgenutzt. Dabei steht vor allem die Tetrazyklin-abhängige Genregulation im Vordergrund. Transkriptionsfaktoren als Targetproteine werden auch am LS für Biochemie und Pathobiochemie untersucht. Hier stehen Sox-Proteine im Mittelpunkt, deren molekulare Wirkweise als nukleäre signalleitende Regulatoren der Nervensystem-Entwicklung samt ihrer Interaktoren und Zielstrukturen biochemisch, molekularbiologisch und im transgenen Tiermodell analysiert werden. In der Arbeitsgruppe Bioinformatik werde neben der Modellierung von Protein-Protein Komplexen computergestützte Methoden zur Vorhersage neuer Proteininteraktionen entwickelt und diese bereits zur Untersuchung verschiedener Signalwege eingesetzt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf den Wechselwirkungen mikrobieller Effektormoleküle, die gezielt in zelluläre Signalwege eingreifen. In diesem Zusammenhang werden beispielsweise die zellulären Interaktionspartner viraler Effektormoleküle vorhergesagt und die entsprechenden Proteinkomplexe modelliert. Der Forschungsschwerpunkt des Instituts für Zelluläre und Molekulare Physiologie (LS Vegetative Physiologie) liegt auf dem Gebiet renaler und kardialer Ionenkanäle und deren Regulation durch assoziierte Proteine. Diese Targetstrukturen sind von pathophysiologischer Relevanz, da eine gestörte Regulation renaler und kardialer Ionenkanäle beispielsweise eine wichtige Rolle bei der Entstehung des arteriellen Bluthochdrucks beziehungsweise als Ursache von Herzrhythmusstörungen spielt. Die Rolle verschiedener Ionenkanäle in der Signaltansduktion von Sinusknotenzellen und Neuronen wird durch die Herstellung und Analyse entsprechend gen-modifizierter transgener Mäuse untersucht (LS für Pharmakologie und Toxikologie).
Die beiteiligte Gruppe für Anorganische Chemie bearbeitet bioanorganische Modell-Komplexe für Zink-Peptidasen (z.B. dem Angiotensin Converting Enzyme) und nicht-Häm Eisen-Oxygenasen (z.B. Prolyl-Hydroxylasen und 4-Hydroxyphenylpyruvat-Dioxygenasen). Neben mechanistischen Studien wird die Koordination verschiedener Enzym-Inhibitoren mittels Eisen- bzw. Zink-bindender Gruppen (ZBGs) untersucht. In Kooperation mit externen radiochemischen Arbeitsgruppen werden zudem Komplex-Liganden für 99mTc-Radiodiagnostika entwickelt. 

Target­pro­teine der Wirkstoffkinetik

(Arzneimittel-metabolisierende Enzyme und Transporter), die die Konzentrationen von Arzneimitteln am Wirkort und damit deren Wirkungen beein­flus­sen, werden am LS für Klinische Pharmakologie und Klinische Toxikologie untersucht. Mit Verfahren der Pharmakogenomik wird erforscht, wie genetische Variabilität die Protein-Ligand-Wechselwirkung und damit die Arzneimittel­wirkung beeinflußt. Mit hoch­auflösenden proteinchemischen Methoden untersucht der LS für Bioche­mie und Moleku­la­re Medizin den Aufbau der Interaktions­domänen krank­heits­rele­van­ter Neurotrans­mitter­rezep­toren, insbesondere von Glycin- und Gluta­mat-Rezep­toren, und deren Verände­run­gen bei hereditären Krankheiten des ZNS.

Targetproteine - Struktur und Katalyse

Am Lehrstuhl Pharmazeutische Biologie werden Enzyme des speziellen Stoffwechsels der Pflanzen identifiziert, isoliert, rekombinant exprimiert, charakterisiert und in Struktur und Funktion aufgeklärt. Durch gerichtete Mutagenese werden Enzyme in ihren katalytischen Eigenschaften verändert. Ziel ist die Anwendung von Enzymen, Muteinen und den für sie codierenden Genen in Pharmazie (Pflanzenbiotechnologie) und Chemie (Katalyse).

Targetproteinmodifikation und -formulierung:

Proteinveränderungen, die bei der Behand­lung von Lebens­mitteln, aber auch in vivo unter pathologischen Bedingungen entstehen, stellen einen wichtigen For­schungs­­schwerpunkt am LS für Lebensmittel­chemie dar. Chemi­sche Ver­än­derun­gen werden durch moderne (bio-)analytische Methoden sequenzspezifisch identifiziert und quantifiziert. Anschließend werden strukturelle und funktionelle Konsequenzen der Proteinmodifikationen, wie zum Beispiel Änderungen der Rezeptorbindungseigenschaften untersucht. Am LS für Pharmazeutische Technologie werden Strukturveränderungen von Proteinen, die bei der physikalisch-chemischen bzw. technischen Behandlung auftreten, quantitativ er­mit­telt und die Partikelbildung von Proteinen zur nadelfreien parenteralen Anwendung erforscht.