Strukturbiologische und zelluläre Charakterisierung Isoform-selektiver kovalent-allosterischer Akt-Inhibitoren
Creators: name: Depta, Laura
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2022
Subjects: subject: Medizinische Chemie
subject: Strukturbiologie
subject: Chemische Biologie
subject: 570
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subject: Medizinische Chemie
subject: Chemische Biologie

description: Die Proteinkinase Akt, die aus drei Isoformen (Akt1/Akt2/Akt3) besteht, ist ein zentraler Knotenpunkt innerhalb des PI3K/Akt/mTOR-Signalwegs. Genomische Veränderungen wie aktivierende Mutationen in PI3K und Amplifikationen von AKT-Genen können eine Überaktivierung der Akt-Isoformen und damit einhergehend verschiedene Krankheiten auslösen. Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahrzehnten sind mehrere klinische Studien mit potenziellen Arzneimittelkandidaten gescheitert. Verantwortlich dafür sind u. a. der Mangel an Informationen über Isoform-spezifische Funktionen im Zusammenhang mit menschlichen Krankheiten sowie die nicht selektive Adressierung der Isoformen und die damit verbundenen Nebenwirkungen. In dieser Arbeit war das Hauptziel, strukturbiologische und zelluläre Systeme zu etablieren, die die Grundlage für ein strukturbasiertes Wirkstoffdesign von Isoform-selektiven kovalent-allosterischen Akt-Inhibitoren (CAAIs) bilden. Zu diesem Zweck wurde zunächst ein detaillierter Sequenz- und Strukturvergleich der Akt-Isoformen durchgeführt. Die Strukturanalyse und ein fundiertes Konstruktdesign ermöglichten die Entwicklung effizienter Expressions- und Reinigungsstrategien. Weiterhin konnte im Rahmen von Kristallisationsstudien ein einzigartiger Einblick in die Akt2-Bindungstasche gewonnen werden, indem diese in Akt1 nachgebildet wurde. Dieser Einblick, kombiniert mit biochemischen und massenspektrometrischen Daten, ermöglichte eine Evaluierung einer fokussierten Substanzbibliothek und eine Verifizierung des von einem Homologiemodell abgeleiteten CAAI-Designansatzes. Um weiterführende zelluläre Studien zu ermöglichen, wurde ein Ba/F3-Akt-Isoform-abhängiges Modellsystem etabliert. Mit Hilfe dieses Modellsystems konnten biochemische Selektivitätsprofile der fokussierten Substanzbibliothek erstmalig in den zellulären Kontext übertragen werden und dienten als Grundlage für weitere Studien an der menschlichen Krebszelllinie PANC1. Darueber hinaus zeigten zellulären Studien an Akt-knock-out-Modellen die Vorteile der Isoform-selektiven CAAIs gegenüber invasiven genetischen knock-outs für die Entschlüsselung der Isoform-spezifischen Funktionen von Akt.
description: The protein kinase Akt, comprising three isoforms (Akt1/Akt2/Akt3), is a central signaling node within the PI3K/Akt/mTOR pathway. Genomic alterations such as activating mutations in PI3K and amplifications of AKT genes can trigger overactivation of Akt isoforms and concomitant various diseases. Despite intensive research in the last decades, several clinical trials with potential drug candidates have failed. Responsible for this are, among others, the lack of information on isoform-specific functions in the context of human disease and the non-selective targeting of the isoforms and associated side effects. In this work, the main objective was to establish structural biology and cellular systems that form the basis for structure-based drug design of isoform-selective covalent-allosteric Akt inhibitors (CAAIs). For this purpose, a detailed sequence and structural comparison of Akt isoforms was performed. Structural analysis and a founded construct design enabled the development of efficient expression and purification strategies. Furthermore, crystallization studies provided unique insight into the Akt2 binding pocket by mimicking it in Akt1. This insight, combined with biochemical and mass spectrometry data, allowed evaluation of a focused compound library and verification of the homology model-derived CAAI design approach. To enable further cellular studies, a Ba/F3-Akt isoform-dependent model system was established. Using this model system, biochemical selectivity profiles of the focused compound library could be transferred to the cellular context for the first time and served as a basis for further studies in the human cancer cell line PANC1. Furthermore, cellular studies on Akt knock-out models demonstrated the advantages of isoform-selective CAAIs over invasive genetic knock-outs for deciphering the isoform-specific functions of Akt.