Synthese von Sialyl-Lewis X -Glycopeptiden und -Mimetika als Zelladhäsionsinhibitoren für E-Selektin

Die Selektine initiieren im Verlauf von Entzündungsprozessen einen ersten Zellkontakt zwischen Leukozyten und Endothelzellen und ermöglichen so die Auswanderung der Leukozyten aus den Blutgefäßen in das umliegende Gewebe, wo sie ihre immunologische Wirkung entfalten können. Viele Krankheiten gehen allerdings mit einer übermäßigen, durch Selektine vermittelten Zelladhäsion einher. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, Selektininhibitoren zu synthetisieren, die pathologische Zelladhäsionsprozesse, wie man sie z.B. bei rheumatoider Arthritis, bei Erkrankungen der Herzkranzgefäße oder im Verlauf von Tumormetastasierungen findet, unterbinden können. Als Leitstruktur für solche Inhibitoren dient das auf den natürlichen Selektinliganden vorkommende Tetrasaccharid Sialyl-Lewis-X. Sialyl-Lewis-X stellt aber nur einen Teil der natürlichen Selektinliganden dar. Es bindet auch nur im millimolaren Bereich an die Selektine. Die komplexen natürlichen Selektinliganden wie z.B. ESL-1 (E-Selektin-Ligand-1), die an verschiedenen Glycosylierungs-stellen des Glycoproteins Sialyl-Lewis-X präsentieren, binden mit deutlich höherer Affinität an die Selektine. Für eine spezifische Rezeptorbindung sind daher außer dem Tetrasaccharid weitere Partialstrukturen verantwortlich, wobei gezeigt werden konnte, dass ein Anknüpfen von Sialyl-Lewis-X-Derivaten an die Partialsequenz 672-681 des ESL-1 eine Affinitätssteigerung hervorruft. Ein weiterer Nachteil des natürlichen Sialyl-Lewis-X-Tetrasaccharids im Hinblick auf seine pharmakologische Verwendung besteht darin, dass sowohl die fucosidische Bindung als auch die glycosidische Verknüpfung zur Neuraminsäure durch Enzyme leicht gespalten werden, wodurch Sialyl-Lewis-X als potenzielles Anti-Adäsionsmolekül an Wert verliert. Um die Kohlenydratliganden vor einem solchen enzymatischen Abbau zu bewahren, wurden in dieser Arbeit neben der im Sialyl-Lewis-X vorliegenden L-Fucose die im Menschen nicht vorkommenden Kohlenhydrate D-Arabinose und L-Galactose sowie neben der Neuraminsäure die (S)-Cyclohexylmilchsäure zur Herstellung der sechs Glycopeptid-Selektinliganden 1-6 mit der Partialsequenz 672-681 des ESL-1 verknüpft. Die Tetrasaccharide und Tetrasaccharid-Mimetika können aus den geschützten Monosacchariden und der geschützten Cyclohexylmilch-säure in parallelen Synthesen im Gramm-Maßstab hergestellt werden. Die automatisierten Glycopeptid-Festphasensynthesen wurden an einem Peptidsynthesizer nach der Fmoc-Strategie unter Verwendung von mit Asparaginsäure vorbeladenen TentaGel®-Harzen durchgeführt. Die Strukturen aller sechs Glycopeptide 1-6 wurden sowohl durch hoch auflösende massenspektrometrische Analysen als auch durch ein- und zweidimensionale NMR-Experimente belegt. Als Ergebnis dieser Arbeit liegen sechs Sialyl-Lewis-X-Glycopeptide und -Mimetika mit der Partialsequenz 672-681 des ESL-1 vor. Diese werden in Kürze auf ihre Wirksamkeit als Zelladhäsions-inhibitoren für E-Selektin getestet. Daraus sollen sich Erkenntnisse über Struktur-Wirkungs-Beziehungen gewinnen lassen, insbesondere was das kooperative Zusammenwirken von Saccharid- und Peptidteilstrukturen in der Erkennung der Liganden durch das E-Selektin anbetrifft.

De Novo Design of Foldamers for Preparation of Nanostructured Materials

This thesis deals with the synthesis and the conformation analysis of hybrid foldamers containing the 4-carboxyoxazolidin-2-one unit or related molecules, in which an imido-type function is obtained by coupling the nitrogen of the heterocycle with the carboxylic acid moiety of the next unit. The imide group is characterized by a nitrogen atom connected to an endocyclic and an exocyclic carbonyl, which tend always to adopt the trans conformation. As a consequence of this locally constrained disposition effect, these imide-type oligomers are forced to fold in ordered conformations. The synthetic approach is highly tuneable with endless variations, so, simply by changing the design and the synthesis, a wide variety of foldamers with the required properties may be prepared “on demand”. Thus a wide variety of unusual secondary structures and interesting supramolecular materials may be obtained with hybrid foldamers. The behaviour in the solid state of some of these compounds has been analyzed in detail, thus showing the formation of different kinds of supramolecular materials that may be used for several applications. A winning example is the production of a bolaamphiphilic gelators that may also be doped with small amounts of dansyl containing compounds, needed to show the cellular uptake into IGROV-1 cells, by confocal laser scanning microscopy. These gels are readily internalized by cells and are biologically inactive, making them very good candidates in the promising field of drug delivery. In the last part of the thesis, a particular attention was directed to the search of new scaffolds that behave as constrained amino acid mimetics, showing that tetramic acids derivatives could be good candidates for the synthesis and applications of molecules having an ordered secondary structure.

Mucinartige Glycopeptide als Inhibitoren selektinvermittelter Zelladhäsionsprozesse

Es wurden Glycopeptide mit einer Partialsequenz aus der N-terminalen Domäne des natürlichen Selektinliganden PSGL-1 synthetisiert, welche prinzipiell als kompetitive Inhibitoren unerwünschter selektinvermittelter Zelladhäsionsphänomene fungieren könnten. Grundsätzlich könnte es möglich sein, auf diesem Wege entsprechende chronisch entzündliche Krankheiten wie rheumatoide Arthritis zu behandeln und bestimmte akut eintretende schwere Schädigungen von gesundem Gewebe sowie die Metastasenbildung maligner Tumore zu unterdrücken. Das tatsächliche Potential der hergestellten Glycopeptide als Liganden der Selektine kann nun in biologischen Tests geprüft werden. Der gewählte Ausschnitt aus dem P-Selektin-Glycoprotein-Liganden-1 (PSGL-1) reicht von Tyr48 bis Pro59 und umfasst so sämtliche Aminosäurereste der Sequenz, die für das Auftreten einer hochaffinen Rezeptorbindung erforderlich sind. Dabei ist die Seitenkette von Thr57 mit einem O-Glycan modifiziert, welches das in natürlichen Selektinliganden häufig vorkommende Tetrasaccharid Sialyl-Lewisx bzw. ein Mimetikum desselben enthält und die für Mucine typische Form der Anbindung an das peptidische Rückgrat über eine N-Acetyl-α-D-galactosamineinheit aufweist. Zum Aufbau der komplexen Glycopeptidstrukturen wurde zunächst eine Strategie für die Synthese des an die Hydroxylaminosäure gebundenen Oligosaccharids im Gramm-Maßstab ausgearbeitet. Dabei kam der Wahl eines geeigneten Schutzgruppenmusters besondere Bedeutung zu. Das entwickelte Konzept basiert allein auf chemischen Methoden und ermöglicht die parallele Herstellung potentieller Mimetika. So wurde in dieser Arbeit L-Fucose durch D-Arabinose und N-Acetyl-D-neuraminsäure durch (S)-Cyclohexylmilchsäure ersetzt. Die erhaltenen Glycosylaminosäure-Bausteine wurden schließlich in die Glycopeptid-synthesen an der festen Phase eingebracht, welche nach vollständiger Deblockierung die gewünschten Zielverbindungen lieferten.rn

Synthese von Sialyl-Lewis-X-Mimetika durch stereoselektive ortho-C-Glycosylierung von Phenolen

Ziel der Arbeit war es, Sialyl-LewisX-Mimetika auf Basis ortho-C-glycosylierter Phenole als Inhibitoren für die Selektin-Ligand-Wechselwirkungen zu synthetisieren. Dazu wurde zunächst die Stereoselektivität der ortho-C-Mannosylierung untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass bei der Umsetzung von Phenolen mit dem benzylgeschützten Mannosyl-trichloracetimidat in Gegenwart von TMSOTf selektiv das β-C-Mannosid erhalten wurde. Gleichzeitig konnte anhand der NMR-spektroskopischen Untersuchungen nachgewiesen werden, dass die in der Literatur beschriebenen α-C-Mannoside von Phenolen tatsächlich β-konfiguriert sind. Wenn Naphthole als Glycosylakzeptoren verwendet wurden, konnten durch Modifikation des Promotors auch die für die Synthese der Mimetika benötigten α-C-Mannoside erhalten werden, wobei ZnCl2 als Promotor die besten Ergebnisse lieferte. Allerdings zeigten die synthetisierten α-C-Mannoside und α-C-Galactoside eine Inversion des Pyranoseringes und lagen in der ungewöhnlichen 1C4-Konformation vor.rnAnschließend konnte auf diese Weise das durch Docking-Studien gefundene Mimetikum (2S)-3-Cyclohexyl-2-[7-hydroxy-8-(α-D-mannosyl)naphthalin-2-yloxy]propionsäure syntheti-siert werden. Es besaß jedoch in Zelladhäsionstests keine ausreichende Aktivität bei der Inhibierung der Selektin-Ligand-Wechselwirkung. Bei den ursprünglichen Dockingstudien war allerdings von der gewohnten 4C1-Konformation ausgegangen worden. Spätere NMR-Experimente und DFT-Berechnungen zeigten, dass das Mimetikum tatsächlich in der 1C4-Konformation vorlag und es deshalb nicht aktiv war. Die synthetisierten Stereo- und Regioisomere zeigten in Zelladhäsionstests ebenfalls keine Aktivität.rnVersuche, die α-1-C-Mannosylnaphthole zu den benötigten 1-C-2-O-Diglycosyl-naphthalinen umzusetzen waren nicht erfolgreich, da die phenolische OH-Gruppe sterisch zu sehr abgeschirmt war, um unter milden Reaktionsbedingungen glycosyliert zu werden, bzw. die α-1-C-Mannosylnaphthaline unter drastischeren Reaktionsbedingungen nicht stabil waren. Daher wurde 1-(2′,3′,4′,6′-Tetra-O-benzyl-β-D-galactopyranosyl)-2-naphthol mit 2,3,4,6-Tetra-O-acetyl-α-D-mannopyranosyl-trichloracetimidat in Gegenwart von TMSOTf zum ersten synthetischen 1-C-2-O-Diglycosyl-phenol umgesetzt. Nach Abspaltung der Schutzgruppen sollte das erhaltene 1-Galactosyl-2-O-mannosyl-naphthalin enzymatisch zum Sialyl-LewisX-Mimetikum verlängert werden. Es wurde vom Enzym jedoch nicht als Substrat erkannt. Versuche zur chemischen Anbindung des Säurebausteins stehen noch aus.rn

Diglycosylierte Heterocyclen als potentielle Selektinliganden

In der vorliegenden Arbeit sollten diglycosylierte Heterozyklen als Grundbausteine zur Darstellung eines Mimetikums des Tetrasaccharids Sialyl LewisX verwendet werden. Dabei standen die pharmakokinetische Stabilität sowie der möglichst einfache Zugang zu den Strukturen im Vordergrund. Außerdem sollte die nachträgliche Anbindung an eine ESL-1 Partialsequenz zum Aufbau von Glycopeptiden und deren Verknüpfung zu dendrimeren Strukturen möglich sein. rnIn einem ersten Ansatz sollten C,N-diglycosylierte Isoindolone bzw. Isochinolone aufgebaut werden. Es konnte anhand mehrerer Beispiele gezeigt werden, dass die elektrophile Cyclisierung von o-Alkinylbenzamiden mit Iod nicht die wie in der Literatur beschriebenen Lactame liefert, sondern ein Angriff des Carbonylsauerstoffs zu den entsprechenden Isobenzofuran-1(3H)-iminen bzw. 1H-Isochromen-1-iminen führt. Die Lactame können jedoch durch Reaktion der o-Alkinylbenzamide mit Tetrabutylammoniumfluorid erhalten werden.rnDie zweite Route führte durch 1,3-dipolare Cycloaddition zu 1,4 disubstituierten 1,2,3-Triazolen. Hier gelang der Aufbau eines vollständig deblockierten, mit einem Azid funktionalisierten Trisaccharid Analogons, welches durch enzymatische Sialylierung zum Sialyl LewisX Mimetikum verlängert wurde. Diese Struktur konnte in einer weiteren 1,3-dipolaren Cycloaddition mit einer ebenfalls synthetisierten, leicht abgewandelten Partialsequenz des ESL-1 zu einem Glycokonjugat umgesetzt werden. Des Weiteren gelang der Aufbau zweier teilweise deblockierter Tetrasaccharid Mimetika, wiederum durch enzymatische Elongation.rnAußerdem wurden Versuche unternommen di C-Glycoside durch samariumvermittelte Kupplung zu synthetisieren.rn

Synthesis of new bioactive β-lactam compounds

New biologically active β-lactams were designed and synthesized, developing novel antibiotics and enzymatic inhibitors directed toward specific targets. Within a work directed to the synthesis of mimetics for RGD (Arg-Gly-Asp) sequence able to interact with αvβ3 and α5β1-type integrins, new activators were developed and their Structure-Activity Relationships (SAR) analysis deepened, enhancing their activity range towards the α4β1 isoform. Moreover, to synthesize novel compounds active both against bacterial infections and pulmonary conditions of cystic fibrosis patients, new β-lactam candidates were studied. Among the abundant library of β-lactams prepared, mainly with antioxidant and antibacterial double activities, it was identified a single lead to be pharmacologically tested in vivo. Its synthesis was optimized up to the gram-scale, and pretreatment method and HPLC-MS/MS analytical protocol for sub-nanomolar quantifications were developed. Furthermore, replacement of acetoxy group in 4-acetoxy-azetidinone derivatives was studied with different nucleophiles and in aqueous media. A phosphate group was introduced and the reactivity exploited using different hydroxyapatites, obtaining biomaterials with multiple biological activities. Following the same kind of reactivity, a small series of molecules with a β-lactam and retinoic hybrid structure was synthesized as epigenetic regulators. Interacting with HDACs, two compounds were respectively identified as an inhibitor of cell proliferation and a differentiating agent on steam cells. Additionally, in collaboration with Professor L. De Cola at ISIS, University of Strasbourg, some new photochemically active β-lactam Pt (II) complexes were designed and synthesized to be used as bioprobes or theranostics. Finally, it was set up and optimized the preparation of new chiral proline-derived α-aminonitriles through an enantioselective Strecker reaction, and it was developed a chemo-enzymatic oxidative method for converting alcohols to aldehydes or acid in a selective manner, and amines to relative aldehydes, amides or imines. Moreover, enzymes and other green chemistry methodologies were used to prepare Active Pharmaceutical Ingredients (APIs).

Modulare Synthese von Sialyl-Lewis X-Mimetika als Selektin-Liganden

Zelladhäsions- und Zellerkennungsphänomene spielen eine entscheidende Rolle im biologischen Geschehen: So findet die Kommunikation zwischen Zellen zu einem großen Teil zwischen membranständigen Adhäsionsmolekülen und ebenfalls membranständigen Liganden auf Nachbarzellen statt. Zu diesen Adhäsionsmolekülen gehören die Selektine, die von fundamentaler Bedeutung für die Bekämpfung von Entzündungskrankheiten und damit für die Funktionsweise unseres Immunsystems sind. Tritt eine Entzündung in unserem Körper auf, so sind Selektine an Adhäsionsprozessen beteiligt, die zur Auswanderung von Leukozyten aus dem Blutstrom in das entzündete Gewebe führen. Diese auswandernden Zellen enthalten eine Vielzahl von Wirkstoffen, die Krankheitserreger bekämpfen, aber auch körpereigenes Gewebe angreifen können. Viele Krankheitsbilder, die mit akut oder chronisch entzündlichen Prozessen einhergehen, hängen mit einer Dysregulation der Selektine zusammen. In diesen Fällen werden übermäßig Selektine exprimiert und es kommt zu einer lokal überschießenden Akkumulation von Leukozyten, die zu Schädigungen von gesundem Gewebe führen kann. rnZu diesen Krankheiten gehören z.B. die rheumatoide Arthritis, die myocardialen Ischämie, Psoriasis sowie Asthma und Allergien. Auch bei der Abstoßung von Transplantaten und Tumormetastasierung wurde eine Beteiligung der Selektine nachgewiesen. Eine Strategie gegen diese unerwünschten Effekte ist die selektive Inhibierung der Selektine, welche aufgrund der bedeutenden Rolle der Selektine in der Genese zahlreicher Krankheiten, von großem pharmazeutischen Interesse ist. rnIn der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung chemischer Synthesen von Verbindungen beschrieben, welche selektininhibierende Eigenschaften aufweisen sollen. Solche sog. Mimetika, die wie die natürlichen Liganden mit den Selektinen wechselwirken, sind nicht nur potenzielle Medikamente, sondern können auch durch veränderte Affinität zur Aufklärung von selektinvermittelten Zelladhäsionsprozessen dienen.rn

Synthese von polymergebundenen Sialyl-Lewis x-Strukturen und deren Mimetika als Zelladhäsionsinhibitoren für E-, L- und P-Selektin

Kohlenhydrate dienen nicht nur der Ernährung oder der Stabilisierung von Zellwänden, sondern sie sind auch von essentieller Bedeutung für Zell-Zell-Wechselwirkungen im Organismus. Damit sind sie von besonderem Interesse für die Behandlung von Entzündungen sowie tumorösen Erkrankungen, die auf Wechselwirkungen zwischen bestimmten Kohlenhydraten und Rezeptoren, Selektine genannt, basieren. Die vorliegende Dissertation mit dem Titel „Synthese von polymergebundenen Sialyl-Lewis x-Strukturen und deren Mimetika als Zelladhäsionsinhibitoren für E-, L- und P-Selektin“ befasst sich mit der Synthese und der Modifizierung des natürlich vorkommenden Selektin-Liganden Sialyl-Lewisx und seinen potentiell mimetischen Strukturen auf Basis von Gemischen der an der Bindung beteiligten Kohlenhydrate sowie von sulfatierten Einheiten. Um im Organismus eine verstärkte Bindung an die zu adressierenden Rezeptoren und eine erhöhte Zirkulationsdauer zu erreichen, wurden die geeignet funktionalisierten Liganden mittels reaktiver Polymere auf Basis von Pentafluorphenyl-Reaktivestern im Rahmen einer polymeranalogen Umsetzung an ein definiertes Methacrylamid-Polymer gebunden.Um die biologische Wirksamkeit der synthetisierten Polymere zu überprüfen, wurden Oberflächenplasmonenresonanz-Messungen (SPR-Messungen) durchgeführt. Dabei zeigte sich bei den verschiedenen Selektinen eine unterschiedlich hohe Affinität der Sialyl-Lewis x sowie der mimetischen Polymere. Es konnten bei E-Selektin die geringsten, bei L-Selektin mittlere und bei P-Selektin die höchsten Affinitäten im unteren nanomolaren Bereich festgestellt werden.

Fas death receptor signalling: roles of Bid and XIAP

Fas (also called CD95 or APO-1), a member of a subgroup of the tumour necrosis factor receptor superfamily that contain an intracellular death domain, can initiate apoptosis signalling and has a critical role in the regulation of the immune system. Fas-induced apoptosis requires recruitment and activation of the initiator caspase, caspase-8 (in humans also caspase-10), within the death-inducing signalling complex. In so-called type 1 cells, proteolytic activation of effector caspases (-3 and -7) by caspase-8 suffices for efficient apoptosis induction. In so-called type 2 cells, however, killing requires amplification of the caspase cascade. This can be achieved through caspase-8-mediated proteolytic activation of the pro-apoptotic Bcl-2 homology domain (BH)3-only protein BH3-interacting domain death agonist (Bid), which then causes mitochondrial outer membrane permeabilisation. This in turn leads to mitochondrial release of apoptogenic proteins, such as cytochrome c and, pertinent for Fas death receptor (DR)-induced apoptosis, Smac/DIABLO (second mitochondria-derived activator of caspase/direct IAP binding protein with low Pi), an antagonist of X-linked inhibitor of apoptosis (XIAP), which imposes a brake on effector caspases. In this review, written in honour of Juerg Tschopp who contributed so much to research on cell death and immunology, we discuss the functions of Bid and XIAP in the control of Fas DR-induced apoptosis signalling, and we speculate on how this knowledge could be exploited to develop novel regimes for treatment of cancer.

Conformationally homogeneous heterocyclic pseudotetrapeptides as three-dimensional scaffolds for rational drug design: receptor-selective somatostatin analogues

A would-be amide: A 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole was used as a surrogate for a trans amide bond to create a library of 16 diastereomeric pseudotetrapeptides as beta-turn mimetics. High-resolution structural analysis indicated that these scaffolds adopt distinct, rigid, conformationally homogeneous beta-turn-like structures (see example), some of which bind somatostatin receptor subtypes selectively, and some of which show broad-spectrum activity.

XIAP discriminates between type I and type II FAS-induced apoptosis

FAS (also called APO-1 and CD95) and its physiological ligand, FASL, regulate apoptosis of unwanted or dangerous cells, functioning as a guardian against autoimmunity and cancer development. Distinct cell types differ in the mechanisms by which the 'death receptor' FAS triggers their apoptosis. In type I cells, such as lymphocytes, activation of 'effector caspases' by FAS-induced activation of caspase-8 suffices for cell killing, whereas in type II cells, including hepatocytes and pancreatic beta-cells, caspase cascade amplification through caspase-8-mediated activation of the pro-apoptotic BCL-2 family member BID (BH3 interacting domain death agonist) is essential. Here we show that loss of XIAP (X-chromosome linked inhibitor of apoptosis protein) function by gene targeting or treatment with a second mitochondria-derived activator of caspases (SMAC, also called DIABLO; direct IAP-binding protein with low pI) mimetic drug in mice rendered hepatocytes and beta-cells independent of BID for FAS-induced apoptosis. These results show that XIAP is the critical discriminator between type I and type II apoptosis signalling and suggest that IAP inhibitors should be used with caution in cancer patients with underlying liver conditions.

Computational selection of inhibitors of Abeta aggregation and neuronal toxicity.

Alzheimer's disease (AD) is characterized by the cerebral accumulation of misfolded and aggregated amyloid-beta protein (Abeta). Disease symptoms can be alleviated, in vitro and in vivo, by 'beta-sheet breaker' pentapeptides that reduce plaque load. However the peptide nature of these compounds, made them biologically unstable and unable to penetrate membranes with high efficiency. The main goal of this study was to use computational methods to identify small molecule mimetics with better drug-like properties. For this purpose, the docked conformations of the active peptides were used to identify compounds with similar activities. A series of related beta-sheet breaker peptides were docked to solid state NMR structures of a fibrillar form of Abeta. The lowest energy conformations of the active peptides were used to design three dimensional (3D)-pharmacophores, suitable for screening the NCI database with Unity. Small molecular weight compounds with physicochemical features and a conformation similar to the active peptides were selected, ranked by docking and biochemical parameters. Of 16 diverse compounds selected for experimental screening, 2 prevented and reversed Abeta aggregation at 2-3microM concentration, as measured by Thioflavin T (ThT) fluorescence and ELISA assays. They also prevented the toxic effects of aggregated Abeta on neuroblastoma cells. Their low molecular weight and aqueous solubility makes them promising lead compounds for treating AD.

Molecular mechanisms of apoptosis induction in chronic lymphocytic leukemia

CLL is the most common adult leukemia in the Western World, yet very little is known about the biology of this disease. CLL cells have very high levels of NF-κB activity. Factors such as CD40 ligation and phorbol ester treatment induce NF-κB activity and also prevent apoptosis. Previous data from our laboratory demonstrated that MG-132, a proteasome inhibitor, blocked NF-κB activation and promoted apoptosis in CLL cells. These data suggested to us that NF-κB mediates survival in CLL. We examined NF-κB activity using two different chemotherapeutic agents, PS-341 and arsenic trioxide. PS-341, a proteasome inhibitor blocked NF-κB in CLL cells. This however, did not correlate with cell death. Resistant patient isolates displayed delayed Smac/DIABLO release in comparison to cytochrome c release. This suggests that IAPs are contributing to CLL cell survival and drug-resistance. Arsenic trioxide did not block NF-κB activity at therapeutic doses. However it was a potent inducer of apoptosis in CLL cells. We identified a novel mechanism by which arsenic induces increases in mitochondrial calcium to induce cytochrome c release and initiate apoptosis. Both PS-341 and arsenic trioxide are currently in Phase II clinical trials at M.D. Anderson Cancer Center. We conclude that NF-κB is not critical for PS-341 or arsenic trioxide-mediated cell death. ^

Studies of the structure and function of a fibrinogen binding MSCRAMM(RTM) from Staphylococcus epidermidis

Coagulase-negative staphylococci (CNS) are recognized as important pathogens and are particularly associated with foreign body infections. S. epidermidis accounts for approximately 75% of the infections caused by CNS. Three genes, sdrF, sdrG, and sdrH, were identified by screening a S. epidermidis genomic library with a probe encompassing the serine-aspartate dipeptide repeat-encoding region (region R) of clfA from S. aureus. SdrG has significant amino acid identity to ClfA, ClfB and other surface proteins of S. aureus. SdrG is also similar to a protein (Fbe) recently described by Nilsson, et al. (Infection and Immunity, 1998, 66:2666–73) from S. epidermidis. The N-terminal domain (A region) of SdrG was expressed as a his-tag fusion protein in E. coli. In an ELISA, this protein, rSdrG(50-597) was shown to bind specifically to fibrinogen (Fg). Western ligand blot analysis showed that SdrG binds the Bβ chain of Fg. To further characterize the rSdrG(50-597)-Fg interaction, truncates of the Fg Bβ chain were made and expressed as recombinant proteins in E. coli. SdrG was shown to bind the full-length Bβ chain (1462), as well as the N-terminal three-quarters (1-341), the N-terminal one-half (1-220) and the N-terminal one-quarter (1-95) Bβ chain constructs. rSdrG(50-597) failed to bind to the recombinant truncates that lacked the N-terminal 25 amino acid residues of this polypeptide suggesting that SdrG recognizes a site within this region of the Bβ chain. Inhibition ELISAs have shown that peptide mimetics, including β1–25, and β6–20, encompassing this 25 residue region can inhibit binding of rSdrG(50-597) to Fg coated wells. Using fluorescence polarization we were able to determine an equilibrium constant (KD) for the interaction of rSdrG(50-597) with the Fg Bβ chain peptide β1–25. The labeled peptide was shown to bind to rSdrG(50-597) with a KD of 0.14 ± 0.01μM. Because rSdrG(50-597) recognizes a site in the Fg Bβ chain close to the thrombin cleavage site, we investigated the possibility of the rSdrG(50-597) site either overlapping or lying close to this cleavage site. An ELISA showed that rSdrG(50-597) binding to thrombin-treated Fg was significantly reduced. In a clot inhibition assay rSdrG(50-597) was able to inhibit fibrin clot formation in a concentration dependent manner. Furthermore, rSdrG(50-597) was able to inhibit clot formation by preventing the release of fibrinopeptide B as determined by HPLC. To further define the interaction between rSdrG(50-597) and peptide β6–20, we utilized an alanine amino acid replacement strategy. The residues in β6–20 that appear to be important in rSdrG(50-597) binding to Fg, were confirmed by the rSdrG(273-597)-β6–20 co-crystal structure that was recently solved by our collaborators at University of Alabama-Birmingham. Additionally, rSdrG(50-597) was not able to bind to Fg from different animal species, rather it bound specifically to human Fg in an ELISA. This suggests that the sequence variation between Fg Bβ chains of different species, specifically with in the N-terminal 25 residues, affects the ability of rSdrG(50-597) binding to Fg, and this may explain why S. epidermidis is primarily a human pathogen. ^

Identification of a conserved cluster in the RH domain of GRK critical for activation by GPCRs

One of the most critical aspects of G Protein Coupled Receptors (GPCRs) regulation is their rapid and acute desensitization following agonist stimulation. Phosphorylation of these receptors by GPCR kinases (GRK) is a major mechanism of desensitization. Considerable evidence from studies of rhodopsin kinase and GRK2 suggests there is an allosteric docking site for the receptor distinct from the GRK catalytic site. While the agonist-activated GPCR appears crucial for GRK activation, the molecular details of this interaction remain unclear. Recent studies suggested an important role for the N- and C-termini and domains in the small lobe of the kinase domain in allosteric activation; however, neither the mechanism of action of that site nor the RH domain contributions have been elucidated. To search for the allosteric site, we first indentified evolutionarily conserved sites within the RH and kinase domains presumably deterministic of protein function employing evolutionary trace (ET) methodology and crystal structures of GRK6. Focusing on a conserved cluster centered on helices 3, 9, and 10 in the RH domain, key residues of GRK5 and 6 were targeted for mutagenesis and functional assays. We found that a number of double mutations within helices 3, 9, and 10 and the N-terminus markedly reduced (50–90%) the constitutive phosphorylation of the β-2 Adrenergic Receptor (β2AR) in intact cells and phosphorylation of light-activated rhodopsin (Rho*) in vitro as compared to wild type (WT) GRK5 or 6. Based on these results, we designed peptide mimetics of GRK5 helix 9 both computationally and through chemical modifications with the goal of both confirming the importance of helix 9 and developing a useful inhibitor to disrupt the GPCR-GRK interaction. Several peptides were found to block Rho* phosphorylation by GRK5 including the native helix 9 sequence, Peptide Builder designed-peptide preserving only the key ET residues, and chemically locked helices. Most peptidomimetics showed inhibition of GRK5 activity greater than 80 % with an IC50 of ∼ 30 µM. Alanine scanning of helix 9 has further revealed both essential and non-essential residues for inhibition. Importantly, substitution of Arg 169 by an alanine in the native helix 9-based peptide gave an almost complete inhibition at 30 µM with an IC50 of ∼ 10 µM. In summary we report a previously unrecognized crucial role for the RH domain of GRK5 and 6, and the subsequent identification of a lead peptide inhibitor of protein-protein interaction with potential for specific blockade of GPCR desensitization. ^