Von der Proteinstruktur zu neuen Arzneistoffen

Dortmunder Max-Planck-Wissenschaftler stellen neue Strategie vor, bei der die Kernstruktur von Proteindomänen als Leitprinzip für die Entwicklung neuer molekularer Wirkstoffkandidaten dient

Die Untersuchung von Ähnlichkeiten zwischen Proteinen ist eine wichtige Strategie bei der Fahndung nach neuen Wirkstoffen. Bisher konzentrierte man sich hierbei auf die Aminosäuresequenz oder die Wirkungsweise der Proteine. Doch evolutionär gesehen ist es die räumliche Struktur, also die Faltung der Proteine, die wesentlich stärker konserviert ist als ihre Sequenz. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Physiologie in Dortmund haben jetzt eine neue Strategie für die Suche nach Wirkstoffkandidaten vorgestellt, die auf so genannten Proteinstruktur-Ähnlichkeits-Clustern aufbaut. Diese können aus Enzymen mit ähnlicher Kernstruktur, die an ganz verschiedenen Reaktionen beteiligt sind und völlig unterschiedliche Funktionen haben, bestehen. So ergab eine kleine Bibliothek von nur 147 Verbindungen, die ausgehend von einem in der Natur vorkommenden Inhibitor eines dieser Enzyme erzeugt wurde, neue leistungsfähige und selektive Hemmstoffe für andere Enzyme dieses Clusters. Proteinstruktur-Ähnlichkeits-Cluster erscheinen daher als eine neue erfolgversprechende Methode, um – ausgehend von evolutionär erprobten Naturstoffen – neue Arzneistoffe zu entwickeln (PNAS, Early Edition, 17. November 2004).

Die Wissenschaftler um Professor Herbert Waldmann sind speziell an jenen kleinen, Arzneistoff-ähnlichen Molekülen interessiert, die krankheitsrelevante Proteine in ihrer Funktion beeinflussen. Die Forscher verfolgen dabei den Ansatz, dass Naturstoffe sich besonders gut als Startpunkte eignen, um von ihnen ausgehend neue Moleküle zu synthetisieren, die als Grundlage für die Entwicklung potentieller Wirkstoffkandidaten dienen könnten. Ihr Vorgehen beruht auf der Erkenntnis, dass natürlich vorkommende Substanzen, die von ihren Erzeugerorganismen, wie Pflanzen, Meeresschwämme, Pilze u.a., etwa zu Abwehrzwecken von potentiellen Fraßfeinden produziert werden, im Zuge der Evolution selektiert wurden, um mit bestimmten Proteindomänen effektiv in Wechselwirkung zu treten. Diese Proteindomänen stellen die Bausteine dar, aus denen Proteine aufgebaut sind. Zu ihrem Aufbau verwendet die Natur nur ein begrenztes Repertoire an Strukturmotiven (man schätzt diese auf ca. 1.000), die dann je nach Funktion des Proteins variiert werden.

Diesen strukturellen Konservativismus der Natur nutzen die Max-Planck-Wissenschaftler jetzt aus. Mit Hilfe bioinformatischer Methoden fahnden sie nach strukturell ähnlichen Proteinkernen und bilden daraus so genannte Proteinstruktur-Ähnlichkeits-Cluster (s. Abb. 2). Ein Naturstoff, der an eine dieser ähnlichen Strukturen bindet, dient dann als „Leitmotiv“ für die Entwicklung einer ganzen Kollektion von Molekülen. Die Variation dieses Leitmotivs ist unabdingbar, zumal die Bindungstaschen der Proteine trotz ähnlicher Kernstruktur von der Natur variabel gestaltet sind. Dies ist wiederum die Voraussetzung für die unterschiedlichen Funktionen, die Proteine in einer Zelle bzw. einem Organismus wahrnehmen müssen. Die Wahrscheinlichkeit ist sehr hoch, dass man in einer derartigen Substanzkollektion neue Stoffe findet, die selektiv und mit guter Wirksamkeit die einzelnen Mitglieder eines Proteinstruktur-Ähnlichkeits-Clusters ansprechen können.

Konkret haben die Dortmunder Wissenschaftler eine Phosphatase, die bei der Zellteilung eine Rolle spielt und als potentielle Zielstruktur für eine medikamentöse Krebstherapie gilt, die Acetylcholinesterase, an der Alzheimer-Medikamente angreifen, und eine Dehydrogenase, die im Zusammenhang mit Diabetes, Fettsucht und Altersdemenz steht, als in ihrer Kernstruktur ähnliche Proteine identifiziert (s. Abb. 1). Die Forscher synthetisierten daraufhin auf der Grundlage eines Naturstoffs, der aus einem Meeresschwamm isoliert wurde und an die Phosphatase bindet, eine Kollektion von insgesamt 147 Verbindungen. Unter diesen Verbindungen haben sie mehrere Stoffe identifiziert, die die einzelnen Proteine des Ähnlichkeitsclusters selektiv hemmten. Auf diese Weise konnten die Forscher zeigen, dass die Entwicklung neuer Arzneistoff-Strukturklassen durch ihr Konzept erheblich erleichtert und beschleunigt werden kann.

Originalveröffentlichung: Marcus A. Koch, Lars-Oliver Wittenberg, Sudipta Basu, Duraiswamy A. Jeayraj, Eleni Gourzoulidou, Kerstin Reinecke, Alex Odermatt, and Herbert Waldmann, „Compound library development guided by protein structure similarity clustering and natural product structure“, PNAS, Early Edition, 17. November 2004, doi 10.107073

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Marcus Koch
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