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Development of the first selective proteolysis targeting chimera for the FK506-binding protein 51

Walz, Michael (2023)
Development of the first selective proteolysis targeting chimera for the FK506-binding protein 51.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024051
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Development of the first selective proteolysis targeting chimera for the FK506-binding protein 51
Language: English
Referees: Hausch, Prof. Dr. Felix ; Immel, PD Dr. Stefan
Date: 29 August 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 7, 460 Seiten
Date of oral examination: 8 May 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024051
Abstract:

Because of its various potential applications, FKBP51 emerged as an interesting target protein for pharmacological research. In spite of many attempts, however, no conventional ligand with a sufficient pharmacological profile has yet been developed. Since the synthesis of such a ligand proved to be challenging and moreover it is still not exactly explored which domain is responsible for which function of the protein, the recently developed concept of PROTACs seemed to be an interesting possibility to investigate these problems. Moreover, due to the recently clarified interactions of FKBP51 with GR by Baischew et al.1, PROTACs prove to be a highly interesting target for the treatment of GR-mediated stress-related disorders. In her doctoral thesis2, Dr. Tianqi Mao was able to show that the degradation of FKBP51 by the use of a PROTAC is feasible in general. However, no PROTAC synthesized in the course of her work showed sufficient activity or selectivity. Therefore, the PROTAC library synthesized by Dr. Mao should be extended and screened for potential hits within the scope of this work. If possible, conclusions about structure-activity relationships should be drawn and then used for optimization of the PROTACs. The aim was to develop a highly active and selective PROTAC for FKBP51.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Screening-Bibliothek von PROTACs für FKBPs von bisher 60 PROTACs auf 220 erweitert werden. Die PROTACs wurden daraufhin zunächst auf Affinität gegenüber unterschiedlichen FKBPs getestet. Wie erwartet zeigten die bizyklischen Verbindungen hohe Affinitäten für sämtliche getesteten FKBPs während die SAFit basierten Verbindungen Selektivität für FKBP51 aufwiesen. Anschließend wurden die PROTACs in einem Einpunkt-Kooperativitätsassay auf die Bildung eines stabilen ternären Komplexes getestet. Für die PROTACs, welche die beste Kooperativität für FKBP51 zeigten wurden daraufhin vollständige Bindungskurven gemessen und daraus ein Alpha-Wert bestimmt. Anschließend wurde die PROTACs in HTRF- und Reportergen-Assays auf Degradation von FKBPs getestet und Western-Blots für die hieraus resultierenden Hits angefertigt. Ein erster Ansatz zur Optimierung eines der aktivsten PROTACs, durch die Variation der Linkerbindungsstelle an den FKBP-Liganden, zeigte keinerlei Steigerung der Aktivität oder Selektivität. Für die Optimierung der PROTACs durch systematische Einführung von Methyl-gruppen und damit einhergehender Einschränkung der Rotationsfreiheit wurde zunächst ein Verfahren für den schrittweisen Aufbau der Linker etabliert, welches darüber hinaus bereits in weiteren Projekten des Arbeitskreises Anwendung fand. Die so synthetisierten PROTACs zeigten deutliche Veränderungen des Aktivitäts- und Selektivitätsprofils im Vergleich zu deren Ausgangssubstanz. Vor allem die Ergebnisse des 3S-methyl-substituierten PROTACs, welcher eine erheblich gesteigerte Aktivität, sowie Selektivität aufweist, zeigten die Bedeutung die dieser Ansatz für PROTACs haben kann, welche nicht kristallisiert werden können, sodass eine rationale Optimierung des Linkers nicht möglich ist. Die Optimierung des Linkers von MWa421 erfolgte in zwei Schritten. Im ersten Schritt konnte das Degradationsprofil des PROTACs durch die Verlängerung des Linkers um ein weiteres Kohlenstoffatom verbessert werden. Die Einführung einer Methyl-Gruppe in der 3R-Position des verlängerten Linkers während des zweiten Optimierungsschritts resultierte in dem hochselektiven PROTAC MWa649, dem besten PROTAC für FKBP51 nach aktuellem Stand der Forschung. Ein letzter Versuch zur Optimierung des PROTACs durch Variation einzelner Teile des FKBP-Liganden konnte nicht den gewünschten Effekt erzielen. Somit konnte im Verlauf dieser Arbeit der erste selektive PROTAC für FKBP51 synthetisiert und charakterisiert werden, welcher sich darüber hinaus durch eine deutliche Steigerung der Aktivität im Vergleich zu dem vor meiner Arbeit einzig bekannten FKBP51-PROTAC (MTQ202) auszeichnet.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-240514
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Clemens-Schöpf-Institut > Fachgebiet Biochemie
07 Department of Chemistry > Clemens-Schöpf-Institut > Organ Chemistry
Date Deposited: 29 Aug 2023 14:37
Last Modified: 18 Oct 2023 11:40
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24051
PPN: 511417659
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