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Synthesis and mass spectrometry based characterization of chemical tools to explore FK506 binding proteins

Heymann, Tim (2023)
Synthesis and mass spectrometry based characterization of chemical tools to explore FK506 binding proteins.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021441
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Synthesis and mass spectrometry based characterization of chemical tools to explore FK506 binding proteins
Language: English
Referees: Hausch, Prof. Dr. Felix ; Meyer-Almes, Prof. Dr. Franz-Josef
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 169 Seiten
Date of oral examination: 9 May 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00021441
Abstract:

The FK506 binding proteins (FKBPs) are a protein family belonging to the immunophilins and are interesting drug targets. FKBP51 is associated with stress-related diseases, metabolic diseases and chronic pain which makes it an interesting drug target. Microbial or parasitic FKBPs (Mips) are important for the replication of pathogens and thus inhibitors for Mips are anti-infective. While the effects of addressing FKBPs by knockout or with FKBP ligands are well characterized, the underlying mechanisms leading to the observed effects on the cell level are unclear and the literature is often controversial. To address this problem, several chemical tools and MS based methods for their characterization and later use have been developed in this thesis. The development of a gram scale SAFit2 synthesis makes this so far best chemical tool for FKBP51 available for extensive in vivo experiments, allowing further study of FKBP51 inhibition in animals. The development of a synthesis for a diazirine building block allows coupling of this photoreactive warhead to almost any given ligand or molecule of choice via a linker. This allows a broad spectrum of new photoreactive ligands with versatile use, as demonstrated by the photoreactive ligands and cysteine reactive photo labels synthesized and used for photoaffinity labeling in this thesis. Development of a simple protein intact mass LC-MS analysis supplemented by a top-down approach allows assessment of in vitro experiments performed with chemical crosslinkers, facilitating rapid identification of labeled proteins with high confidence. A more sophisticated bottom-up proteomics approach allows the use and analysis of photoreactive FKBP ligands in cells, enabling the identification of protein binding partners and ligand off-targets otherwise not possible by targeted methods such as western blotting. Both LC-MS based methods in combination with the photoreactive chemical tools make up a powerful toolbox for the analysis of FKBPs.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die FK506 bindenden Proteine (FKBPs) sind eine Proteinfamilie, die zu den Immunophilinen gehören und interessante Wirkstoffziele. FKBP51 ist in Säugetieren mit Stresskrankheiten, metabolischen Krankheiten und chronischem Schmerz assoziiert. Mikrobische und parasitische FKBPs sind wichtig für die Vervielfältigung von Pathogenen, wodurch deren Inhibitoren anti-infektiös wirken. Obwohl die Effekte von FKBP Deletion oder Inhibierung mit Liganden gut charakterisiert sind, sind die für die beobachteten Effekte verantwortlichen Mechanismen unklar und die Literatur dazu oft kontrovers. Um dieses Problem zu lösen, wurden mehrere chemische Werkzeuge sowie MS-basierte Methoden zu deren Charakterisierung und späteren Analyse innerhalb dieser Thesis entwickelt. Die Entwicklung einer Synthese von SAFit2 im Gramm-Maßstab machte das bisher beste verfügbare chemische Werkzeug für FKBP51 in großen Mengen verfügbar und erlaubt damit breit angelegte in vivo Experimente zur weiteren Erforschung von FKBP51 in Säugetieren wie Mäusen. Die Entwicklung einer Synthese für einen Diazirin-Synthesebaustein machte das Koppeln dieses photoreaktiven Bausteins mit beliebigen Proteinliganden oder Molekülen möglich. Dies erlaubt ein breites Spektrum von neuen photoreaktiven Liganden mit vielfältigem Nutzen, wie die Cystein-reaktiven photoaktiven Bausteine und die photoreaktiven Liganden, die in dieser Arbeit synthetisiert wurden, zeigen. Eine simple intakte Proteinmassenanalyse durch LCMS wurde entwickelt. Ergänzend mit einer einfachen top-down Methode wird das Analysieren von in vitro Experimenten mit photoreaktiven Crosslinkern ermöglicht, was die schnelle Identifikation von markiertem Protein mit hoher Selektivität erlaubt. Eine komplexere bottom-up Proteomics-Methode ermöglicht die Verwendung und Analyse von photoreaktiven FKBP Liganden in Zellen, was das Identifizieren von Proteinbindungspartnern und alternativen Bindungspartnern von Liganden ermöglicht. Dies ist durch herkömmliche gezielte Methoden, wie Western Blotting, nicht möglich. Beide Methoden in Kombination mit den photoreatkiven chemischen Werkzeugen bilden eine leistungsstarke Toolbox, um FKBPs in Zellen zu erforschen.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-214415
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Clemens-Schöpf-Institut > Fachgebiet Biochemie
Date Deposited: 09 May 2023 12:03
Last Modified: 10 May 2023 06:10
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21441
PPN: 507632192
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