Chemische Entschlüsselung des Super Elongation Komplex

Der Projektantrag Chemical Dissection of the Super Elongation Complex ist ein interdisziplinärer Ansatz, der auf pharmakologischen und chemisch-genetischen Ansätzen beruht. Ziel des Projektes ist es den Super-Elongation-Komplex (SEC) zu untersuchen und zu verstehen. Der SEC ist ein dynamischer Multi-Protein Komplex, der die Aktivität von pausierter RNA Polymerase II an spezifischen Zielgenen reguliert, indem er die Rekrutierung des Faktors P-TEFb steuert. Verschiedene Studien deuten auf eine funktionelle Relevanz des SEC in der Krebsentstehung hin. Der SEC ist beispielsweise relevant um aberrante Transkriptionsprogramme zu etablieren die das Zellwachstum aufrechterhalten, einer Differenzierung entgegenwirken oder eine Anpassung an die Mikroumgebung des Tumors erlauben. Es fehlt jedoch ein genaues Verständnis der "Regulationsarchitektur", dem genauen Zusammenspiel der einzelnen SEC-Untereinheiten in der Kontrolle der zielspezifischen Elongation. Dies ist auf die begrenzte kinetische Auflösung von gängigen genetischen Manipulationsstrategien, sowie ein Fehlen von SEC-blockierenden kleinen Molekülen und chemischen Wirkstoffen zurück zu führen. Um diese Einschränkungen zu überwinden, werden wir die Methode des pharmakologischen, zielgerichteten Proteinabbaus anwenden, um einzelne SEC-Untereinheiten chemisch abzubauen und mit hochauflösenden und ganzheitlichen Messungen der Genexpression und der Chromatin Struktur zu koppeln. Darüber hinaus werden wir eine innovative Hochdurchsatzmethode entwickeln, um unter knapp 100.000 kleinen chemischen Molekülen die Substanzen zu finden, die das SEC Protein ENL in Krebszellen blockieren können. Auch der genaue Wirkmechanismus von identifizierten Molekülen wird im Detail aufgearbeitet werden. Wir erwarten, dass diese Forschung in der Identifikation und Charakterisierung von neuen chemischen Wirkstoffen resultiert, die weiterführende Forschung im Bereich Krebs, Entwicklung und Homöostase beschleunigen werden.

Die kontrollierte Regulierung der Genaktivität ist für alle Aspekte des Lebens von grundlegender Bedeutung. Unter den verschiedenen Transkriptionskontrollpunkten wurde in den letzten Jahren die Transkriptionselongation sehr aktiv untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Transkriptionselongation bei verschiedenen Krankheiten, einschließlich Krebs, falsch reguliert ist. Dies führte zur Entwicklung niedermolekularer Inhibitoren, deren Funktion darin besteht ein Protein namens CDK9 zu blockieren. CDK9 ist eine Kinase, die an einem Multiproteinkomplex namens Super Elongation Complex (SEC) beteiligt ist, welcher wiederum die Transkriptionselongation reguliert. Mehrere CDK9-Inhibitoren werden derzeit zur Krebsbehandlung am Menschen klinisch untersucht, haben aber typischerweise nur ein relativ geringes therapeutisches Fenster. Der Grund dafür ist, dass die CDK9-Hemmung die Transkription der meisten Gene blockiert und so auch in vielen gesunden Zellen zum Zelltod führt. In diesem Projekt wollten wir zellbasierte Tools entwickeln, die es uns ermöglichen, die Rolle des SEC in der Transkriptionsregulierung besser zu verstehen. Darüber hinaus wollten wir die Möglichkeit einer spezifischeren Blockade der Transkription untersuchen, um bessere (und spezifischere) Behandlungsmöglichkeiten zu finden. Zu diesem Zweck haben wir Zellen so manipuliert, dass sie uns eine pharmakologische Kontrolle über die Stabilität mehrerer SEC-Komponenten sowie anderer an der Transkription beteiligter Proteine ermöglichen. Durch die Kopplung des akuten Proteinabbaus mit der Transkriptionsprofilierung haben wir festgestellt, dass die SEC, insbesondere CDK9, eine Rückkopplungsschleife bereitstellt, die es Zellen ermöglicht, sich vor anderen transkriptionellen Beeinträchtigungen zu schützen. Im speziellen Fall haben wir diesen Mechanismus beobachtet, nachdem wir Komponenten des Mediator Komplexes pharmakologisch degradiert haben. Wir haben gelernt, dass dieser Rückkopplungsmechanismus bei den meisten Genen ausreicht, um eine bestimmte grundlegende Transkriptionsleistung aufrechtzuerhalten. Interessanterweise war dieser Rückkopplungsmechanismus bei Genen, die die Zellspezifität bestimmen und bei Krebs häufig überexprimiert werden, wie MYC oder MYB, nicht aktiv. Die Transkriptionsleistung war an diesen Genen also komplett und spezifisch blockiert. Im Gegensatz dazu waren die meisten anderen Gene in ihrer Transkriptionsleistung nicht beeinflusst. Diese Beobachtung eröffnet die spannende Möglichkeit, genselektive Transkriptionsdefekte zu erzielen, indem Komponenten des Mediator-Komplexes mit niedermolekularen Wirkstoffen gezielt blockiert werden. Diese spannende Hypothese testen wir im Moment in weiterführenden Studien.