Kleine Furche der DNS als Target für Wirkstoffdesign

In den letzten Jahren wurden Moleküle entdeckt, die in die kleine Furche der DNS binden und auf diese Weise biologische Vorgänge an der DNS beeinflussen können. Daraus ergeben sich vielversprechend Möglichkeiten für das Wirkstoffdesign: Die Bindungsstärke dieser Moleküle reicht einerseits aus, um die Bindung von Enzymen an die DNS zu verhindern, andererseits können diese Moleküle so gestaltet werden, dass sie nur an bestimmte DNS- Sequenzen binden. Auf diese Weise können sie die Transkription von Genen nicht nur zufällig, sondern gezielt so verändern, dass die Synthese von krankheitsspezifischen Proteinen von vornherein verhindert werden kann. Ein Nachteil der bisher bekannten DNS-bindenden Moleküle ist, dass sie metabolisch nicht stabil genug sind, da ihr gemeinsames Grundgerüst zahlreiche Amidbindungen enthält. Viele leichte Variationen des Grundgerüsts wurden in den letzten Jahren synthetisiert und auf ihre Bindungseigenschaften an der DNS untersucht. Dadurch steht eine beträchtliche Datenmenge über strukturelle Voraussetzungen der DNS-Bindung zur Verfügung, die als Basis für unser Projekt dienen wird. Pharmakophor Modeling ist optimal dazu geeignet, aus diesen Daten Modelle zu erhalten, die das Phänomen der sequenzspezifischen DNS-Bindung reproduzieren und vorhersagen können. Die Herausforderung dabei ist, dass diese Methode für die Beschreibung von Protein-Ligand-Wechselwirkungen entwickelt wurde und daher erst an die Bedürfnisse von DNS-Komplexen angepasst werden muss. Die erhaltenen Modelle werden dazu eingesetzt, kommerzielle Datenbanken nach Substanzen zu durchsuchen, die an DNS binden können. Mit ITC (isothermal titration calorimetry) werden die gefundenen Substanzen experimentell auf ihre Bindungseigenschaften hin untersucht. Diese Ergebnisse werden dazu verwendet, die Suchmodelle zu überprüfen und zu verbessern. Aufgrund der verbesserten Suchmodelle können wiederum kombinatorisch-chemische Datenbanken durchsucht werden. Unsere Erfahrungen im Bereich Nukleinsäureforschung zusammen mit unserem Expertenwissen im Bereich Wirkstoffdesign bilden optimale Voraussetzungen für dieses Projekt.

Desoxyribonukleinsäure (DNS) überträgt die genetische Information von einer Generation zur nächsten. Diese Information ist in der DNS als Basenpaare gespeichert, wobei das individuelle Ablesen der Gene von DNS- bindenden Proteinen (Transkriptionsfaktoren) gesteuert wird. Die Bindung von Transkriptionsfaktoren kann durch Bindung von kleinen Molekülen an die kleine Furche der DNS (Minor Groove Binder) beeinflusst werden. Dieser Wirkmechanismus unterscheidet Minor Groove Binder von konventionellen Wirkstoffen, die zumeist an Proteine binden. Daher stellen Minor Groove Binder einen neuen und generellen Ansatz dar, genetische Erkrankungen zu behandeln, und rücken die DNS selbst ins Zentrum von Wirkstoffdesignansätzen. Aktuell bekannte Minor Groove Binder sind von einem engen Bereich chemischer Strukturen abgeleitet. Diese Moleküle leiden unter schlechter Bioverfügbarkeit und werden deshalb im momentanen Wirkstoffdesign nicht verwendet. Ziel des Projektes war es daher, diese Einschränkungen aufzuheben und nach neuen Leitstrukturen zu suchen, die ebenfalls an die kleine Furche der DNS binden können. Nach detaillierter Analyse der vorhandenen strukturellen Daten, wurden computergestützte Ähnlichkeitssuchen ausgehend von bekannten DNS-Bindern und deren Strukturen in Komplex mit DNS durchgeführt, um Kandidatenmoleküle auszuwählen. Diese Suchen wurden in einem pharmakophor-basierten, sowie einem rein form-basierten Ansatz durchgeführt und mit Testsätzen bekannter Minor Groove Binder validiert. Pharmakophoransätze waren sehr erfolgreich in der Reproduktion und Vorhersage von Sequenzspezifitäten bekannter Minor Groove Binder, während form-basierte Ansätze virtueller Molekülsuchen sich als perfekt geeignet herausstellten, schnell Kandidatenmoleküle aus großen virtuellen Moleküldatenbanken anzureichern. Im Zuge des Projekts konnten so zahlreiche neue Minor Groove Binder identifiziert und experimentell verifiziert werden. Die Bindungsaffinität wurde mittels UV-Spektroskopie bestimmt und die Bindung an die kleine Furche der DNA mittels NMR-Spektroskopie bestätigt. Isothermale Titrationskalorimetrie wurde durchgeführt, um thermodynamische Profile der Bindung an die kleine Furche aufzuzeichnen, welche zu neuen Erkenntnissen hinsichtlich der Sequenz-Spezifität der DNS-Bindung führten. Die thermodynamischen Beiträge wurden mittels Moleküldynamiksimulationen weiter untersucht und die Zusammenhänge zwischen der sequenzspezifischen dreidimensionalen Form der DNS und Bindungscharakterisitiken aufgezeigten. Speziell die Hydratation der kleinen Furche wurde als zentraler Punkt in der Vorhersage der Sequenzspezifität identifiziert. Diesem Punkt wird im Rahmen weiterer Forschungsprojekte der Gruppe aktuell nachgegangen.