Kristallisation und strukturbiologische Charakterisierung klinisch-relevanter Mutationsvarianten der Rezeptor-Tyrosinkinasen EGFR und Her2
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2021
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Lungenkrebs ist die häufigste Ursache für krebsbedingte Todesfälle weltweit.[1] In den letzten Jahren hat jedoch die sogenannte Präzisionsmedizin die Krebstherapie von Nicht-kleinzelligen Lungenkrebs-Patienten (NSCLC-Patienten) revolutioniert. Die Identifizierung von prädikativen Biomarkern sowie das detaillierte genetische Verständnis ermöglichte die Entwicklung niedermolekularer Verbindungen zur gezielten Inhibierung der aberranten Zielstrukturen genetisch definierter Patientengruppen. Durch die gezielte Adressierung der onkogenen Zielproteine können die Nebenwirkungen verringert werden, wodurch die Präzisionsmedizin eine vielversprechende Alternative zur platinbasierten Chemotherapie darstellt.[2,3]
Genetische Mutationen, die zur Entstehung und zur Progression von NSCLC führen, sind häufig in den Rezeptor-Tyrosinkinasen zu finden. Hierbei sind im Rahmen dieser Arbeit vor allem der epidermale Wachstumsfaktor-Rezeptor (EGFR) sowie der humane epidermale Wachstumsfaktor-Rezeptor 2 (Her2) zu nennen.[4,5] Die Entstehung von Resistenzmutationen innerhalb der Kinase-Domäne von EGFR, während der Behandlung mit zielgerichteten Tyrosinkinase-Inhibitoren, erfordert das stetige Aufklären der Resistenzmechanismen sowie die Entwicklung neuer Wirkstoffe.[6] Daher ist ein detailliertes Verständnis der Mutanten sowie der Protein-Inhibitor-Interaktionen auf molekularer Ebene für die Entwicklung neuartiger Verbindungen erforderlich.
Die Proteinkristallographie stellt eine wichtige Methode zur Strukturaufklärung dar. [7,8] Allerdings sind bis zur finalen Kristallstruktur viele Herausforderungen wie das Konstruktdesign, die Proteinexpression in unterschiedlichen Expressionssystemen sowie die Proteinreinigung und die Identifizierung geeigneter Kristallisation-bedingungen zu meistern.
Nach Optimierung der genannten Arbeitsschritte konnten im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Kristallisationssysteme Krebs-relevanter EGFR-Varianten etabliert werden, mit deren Hilfe ein verlässliches Wachstum qualitativ hochwertiger Proteinkristalle in Komplex mit niedermolekularen Verbindungen für die Strukturaufklärung ermöglicht werden konnte. Neben dem Interaktionsnetzwerk der Verbindungen und es Zielproteins konnten wichtige strukturelle Einblicke für weitere strukturbasierte Designansätze neuartiger Inhibitoren sowie Optimierungen bereits vorliegende Inhibitoren identifiziert werden.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten insgesamt 47 finale Kristallstrukturen der EGFR-Mutationsvarianten generiert werden, von denen bisher zwölf in der Protein Data Bank publiziert wurden.
[1] F. Bray, J. Ferlay, I. Soerjomataram, R. L. Siegel, L. A. Torre, A. Jemal. Global Cancer Statistics 2018: GLOBOCAN Estimates of Incidence and Mortality Worldwide for 36 Cancers in 185 Countries. Ca: Cancer J. Clin. 2018, 68, 394-424. [2] A. Thomas, S. V. Liu, D. S. Subramaniam, G. Giaccone. Refining the Treatment of NSCLC According to Histological and Molecular Subtypes. Nat. Rev. Clin. Oncol. 2015, 12, 511-526. [3] S. O. Dolly, D. C. Collins, R. Sundar, S. Popat, T. A. Yap. Advances in the Development of Molecularly Targeted Agents in Non-Small-Cell Lung Cancer. Drugs 2017, 77, 813-827. [4] S. V. Sharma, D. W. Bell, J. Settleman, D. A. Haber. Epidermal Growth Factor Receptor Mutations in Lung Cancer. Nat. Rev. Cancer 2007, 7, 169-181. [5] J. Mendelsohn, J. Baselga. The EGF Receptor Family as Targets for Cancer Therapy. Oncogene 2000, 19, 6550-6565. [6] J. Lategahn, M. Keul, D. Rauh. Lessons To Be Learned: The Molecular Basis of Kinase-Targeted Therapies and Drug Resistance in Non-Small Cell Lung Cancer. Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 2307-2313. [7] M. W. Parker. Protein Structure from X-Ray Diffraction. J. Biol. Phys. 2003, 29, 341-362. [8] Z. Sayers, B. Avsar, E. Cholak, I. Karmous. Application of Advanced X-Ray Methods in Life Sciences. Biochim. Biophys. Acta. Gen. Subj. 2017, 1861, 3671-3685.
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Keywords
Präzisionsmedizin, Lungenkrebs, NSCLC, EGFR, Her2, Proteinkristallisation