Aktivitätsbasierendes Profiling von Kohlenhydrat-Enzymen

Glycowissenschaften sind ein interdisziplinär ausgerichtetes Wissenschaftsgebiet, welches durch die übergeordnete Bedeutung von Kohlenhydratstrukturen im Netzwerk von Chemie, Biologie und Medizin großes Potential für zukünftige Errungenschaften in sich birgt und von großem wissenschaftlichen aber auch sozialen Interesse ist. Gleichzeitig muss aber auch festgestellt werden, dass gerade in dieser Wissenschaftsdisziplin in vielerleiHinsichtnoch großer Forschungs-Nachholbedarf besteht. Kohlenhydratstrukturen und Enzyme, welche Kohlenhydratverbindungen (Glycokonjugate) im Körper metabolisieren, spielen eine wichtige Rolle innerhalb und außerhalb der Zellen. Eine Störung im Kohlenhydratmetabolismus bzw. eine Fehlfunktion der Enzyme führt zu Anomalien von Struktur und Funktion von Glycokonjugaten, was zu vielen unterschiedlichen Erkrankungen wie z.B. Diabetes, bakteriellen oder viralenInfektionskrankheiten, immunologischenKrankheitsbildern,Krebs, lysosomalen Speicherkrankheiten und anderen genetische Defekten führen kann. Kürzlich wurde nachgewiesen, dass diese Enzyme bzw. Strukturen auch eine wichtige Rolle bei Alzheimer und Parkinsonspielen. Sehrhäufig istder genaue Wirkmechanismus derbeteiligten Kohlenhydratstrukturen allerdings noch immer unbekannt. In diesem Projekt sollen Glycosonden basierend auf Iminoalditstrukturen für aktivitätsbasierendes Enzym-profiling und labeling, hergestellt werden. Dabei soll ein für diese Enzymklasse neues Konzept, ligand-directed chemistry for protein labeling, entwickelt werden. Diese Methode ist für kohlenhydratmetabolisierende Proteine neu. Der Vorteil dieser Methode gegenüber den bisherigen ist es, das Protein nicht innerhalb des aktiven Zentrums kovalent zu markieren, sondern an einer Stelle außerhalb des katalytischen Zentrums, wodurch nach dem Markierungsschritt das Enzym in seiner natürlichen aktiven Form erhalten bleibt. Dadurch ist ein Echtzeit-Monitoring von Enzymaktivitäten in lebenden Organismen möglich, welches komplett neue Ansätze für die Untersuchung von biologischen und medizinischen Fragestellungen liefert, wie zum Beispiel die Aufklärung von Enzym-Wirkmechanismen in Krankheitsbildern und dadurch das Entwickeln von neuen therapeutischen Ansätzen. Alle hergestellten Strukturen werden auf ihre biologischen Eigenschaften mit den entsprechenden Proteinen untersucht, das erste Screening mit kommerziell erhältlichen CPE soll im Haus etabliert werden, Strukturen mit geeigneten Eigenschaften werden von internationalen Kooperationspartnern für unterschiedliche Anwendungen untersucht werden. Diese Resultate dienen als Grundlage für iteratives Design von Verbindungen mit verbesserten Eigenschaften. Alle synthetisierten Verbindungen werden in einem standardisierten Formatin einevirtuelleVerbindungsbibliothekeingepflegt, welcheinternationalfür WissenschaftlerInnen auf dem Gebiet der Glycowissenschaften zur Verfügung gestellt wird.

Enzyme welche Kohlenhydrate prozessieren sind allgegenwärtig in lebenden Zellen und spielen vitale Rollen nicht nur in der Ernährung, sondern generell im Kohlenhydratmetabolismus von Glycokonjugaten innerhalb und außerhalb der Zellen. Eine Fehlfunktion solcher Enzyme verursacht Abweichungen in der Struktur und/oder der Funktion von Zuckerbausteinen, was zu Krankheiten wie Diabetes, bakterielle und virale Infektionen, Immunkrankheiten, Krebs, lysosomale Speicherkrankheiten und anderen genetischen Krankheiten führen kann. Kürzlich wurde die Fehlfunktionen der Aktivität von Kohlenhydrat-prozessierenden Enzymen mit Alzheimer und Parkinson in Zusammenhang gebracht. Tatsächlich ist der Beitrag bzw. die Rolle, welche solche Enzyme in Krankheiten spielen, noch häufig ungeklärt und manchmal noch gänzlich unbekannt. In diesem Zusammenhang ist Aktivitäts-basierendes Profiling von Proteinen eine wichtige Methode geworden, um Proteinaktivität in der natürlichen Umgebung, in lebenden Zellen, zu studieren und aufzuklären. In diesem Projekt wurde eine Methode für Aktivitäts-basierendes Profiling von kohlenhydrat-prozessierenden Enzymen entwickelt, welche es ermöglicht Mechanismen, Architektur, sowie Substrate/Inhibitoren für solche Enzyme im Detail aufzuklären. Die Anwendungen dieser Methode sind das Profiling von Enzymaktivität in lebenden humanen Zellen, die Aufklärung von Infektionskrankheiten, die Aufklärung des biochemischen Pfades von Krebs, das Diagnose-Management von Krankheiten sowie die Identifizierung von medizinischen Angriffspunkten und die Evaluierung von Enzyminhibitoren. Diese Methode öffnet neue Möglichkeiten und Zugänge auf dem Gebiet der Glycowissenschaften.