Wack, Julia Susanne (2024)
Peptide und Peptoide als Bindepartner für Chemokine.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026504
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Chemokine sind kleine Signalproteine des menschlichen Immunsystems, die wesentlich an der Steuerung und Regulierung von Entzündungsprozessen beteiligt sind. Außerdem spielen sie eine wichtige Rolle bei einer Vielzahl von chronisch entzündlichen Erkrankungen und Autoimmunkrankheiten. Aus diesem Grund ist es von großem Interesse die Wechselwirkung der Chemokine mit ihren korrespondierenden Rezeptoren gezielt zu inhibieren. In diesem Zusammenhang sind Peptide und Peptidomimetika besonders interessant, da sie direkt aus der Rezeptorsequenz abgeleitet werden können. Eine Voraussetzung für die Identifikation von inhibierenden Sequenzen im Rezeptor ist ein genaues Verständnis der Interaktion zwischen Chemokin und Rezeptor. Der in der Literatur beschriebene Mechanismus der Chemokin-Rezeptor-Interaktion geht von einem zweistufigen Modell aus, bei dem es im ersten Schritt zu einem Kontakt des Rezeptor-N-Terminus mit einer Schleife am N-Terminus des Chemokins (site I) kommt. Daran schließt sich in einem zweiten Schritt die Interaktion des äußeren N-Terminus des Chemokins mit den extrazellulären Schleifen des Rezeptors (site II) an, wodurch es zur Rezeptoraktivierung kommt. Im Arbeitskreis wurde in einer früheren Arbeit ein Bindepeptid aus der site II-Bindestelle des Rezeptors CXCR1 für das inflammatorische Chemokin Interleukin-8 (CXCL8) entwickelt. Zur Kontrolle der Experimente wurde ein literaturbekanntes Peptid aus der site I-Bindestelle von CXCR1 genutzt. Neben ihrer Bindung an CXCL8 sind beide Peptide auch dazu in der Lage zelluläre Antworten auf das Chemokin CXCL8 zu inhibieren. Das erste Ziel dieser Arbeit war es die Bindung dieser Peptide an das Chemokin CXCL8 genauer zu untersuchen. Für CXCL8 ist die konzentrationsabhängige Ausbildung von Dimeren bekannt. Eine Vielzahl von Studien hat gezeigt, dass aus dem N-Terminus (site I) von CXCR1 abgeleitete Peptide mit einer hohen Affinität an monomere Varianten von CXCL8 binden, jedoch gegenüber dem Dimer nur eine geringe Affinität aufweisen. Dieses Verhalten konnte mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen auch für das im Rahmen dieser Arbeit untersuchte site I-Peptid CXCR1-p1 mit Hilfe der vorwiegend als Monomer vorliegenden Variante CXCL8 V27P/E29P und der über eine Disulfidbrücke kovalent zum Dimer verbundenen Variante CXCL8 R26C gezeigt werden. Die Bindung von CXCL8 an die site II Bindestelle des Rezeptors erfolgt primär über den unstrukturierten N-Terminus von CXCL8, der das ELR-Motiv enthält. Da der N-Terminus sowohl im monomeren als auch im dimeren Zustand von CXCL8 freiliegt wurde erwartet, dass monomere und dimere Varianten von CXCL8 mit der gleichen Affinität an die site II Bindestelle des Rezeptors binden. Ein experimenteller Beweis für diese Hypothese wurde bisher noch nicht erbracht. Während dieser Arbeit konnte mittels Fluoreszenzanisotropie-Messungen gezeigt werden, dass das site II-Peptid IL8RPLoops mit ungefähr der gleichen Affinität an die monomere Variante CXCL8 V27P/E29P wie auch an die dimere Variante CXCL8 R26C bindet, wodurch die Hypothese bestätigt werden konnte. Bindungsversuche mit einem Peptid aus den ersten zehn Aminosäuren des N-Terminus von CXCL8 und dem site II-Peptid IL8RPLoops bestätigten, dass der N-Terminus des Chemokins an der Bindung beteiligt ist, legten aber auch nahe, dass noch weitere Aminosäuren zu dieser Interaktion beitragen. Die Vermutungen über die Bindungsstelle für das site II-Peptid konnten also im Rahmen dieser Arbeit erstmalig experimentell untermauert werden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss des Einbaus von Sulfotyrosin in die Sequenz des site I-Peptids CXCR1-p1 auf die Bindung an CXCL8 zu untersuchen, da für einige Chemokinrezeptoren bekannt ist, dass sie am N-Terminus sulfatiert vorliegen können und dass Chemokine in der Regel eine höhere Affinität zu ihren sulfatierten Rezeptoren aufweisen. Auch für CXCR1 wird eine Sulfatierung am N-Terminus vermutet. Außerdem konnte in Studien, die während der experimentellen Arbeiten zu dieser Dissertation publiziert wurden, gezeigt werden, dass CXCL8 Tyrosinsulfat bindet. Darum wurde das vom N-Terminus des CXCR1 abgeleitete site I-Peptid CXCR1-p1 in seiner am Tyrosin sulfatierten Form hergestellt. Mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen konnte gezeigt werden, dass sich durch den Einbau von Sulfotyrosin die Affinität für CXCL8, im Vergleich zum nicht sulfatierten Peptid, um den Faktor 10 erhöht, was die Vermutung, dass CXCR1 ebenfalls sulfatiert vorliegt, bekräftigt. In einer vorausgehenden Dissertation im Arbeitskreis wurden cyclisierte und mit dem Fluorophor Tetramethylrhodamin (TAMRA)-markierte Varianten des site II-Peptids IL8RPLoops synthetisiert. In Fluoreszenzanisotropie-Messungen dieser cyclischen Peptide mit CXCL8 wurden inverse Bindungsisothermen erhalten. Die hohen Fluoreszenzanisotropiewerte legten nahe, dass der Fluorophor im ungebundenen Peptid stark in seiner Beweglichkeit eingeschränkt ist. Nach Bindung des cyclischen Peptids an das Chemokin CXCL8 wurden geringere Fluoreszenzanisotropiewerte gemessen, was auf eine Erhöhung der Beweglichkeit des Fluorophors hinweist. Eine mögliche Erklärung dieses Verhaltens ist, dass der über einen flexiblen Linker mit dem Peptid-Makrozyklus verbundene Fluorophor im ungebundenen Zustand mit dem Peptid interagiert und durch eine Bindung des Chemokins verdrängt wird. Auf diese Fluorophor-Peptid-Interaktion weisen auch MD-Simulationen hin. Um dieses ungewöhnliche Verhalten genauer zu beleuchten, wurden im Rahmen dieser Arbeit lineare mit TAMRA-markierte Varianten des site II-Peptids IL8RPLoops hergestellt und mittels Fluoreszenzanisotropie-Messungen die Bindung an CXCL8 untersucht. Die erhaltenen Bindungsisothermen zeigen den erwarteten, ansteigenden Verlauf, wobei auch hier für das ungebundene Peptid hohe Fluoreszenzanisotropiewerte gemessen wurden, die auf eine Interaktion des Fluorophors mit der Peptidstruktur hindeuten. Für lineare mit Fluorescein-markierte Varianten des site II-Peptids IL8RPLoops konnte dieses Verhalten nicht in dieser Ausprägung festgestellt werden. Diecyclischen Peptide haben entsprechend den Erwartungen in einem Proteasestabilitäts-Assay eine hohe Stabilität gegenüber dem Abbau durch das Enzym Trypsin gezeigt. Interessanterweise konnte hier auch für die linearen mit TAMRA-markierten Peptide eine Erhöhung der Proteasestabilität gezeigt werden, nicht jedoch für die mit Fluorescein-markierten. Dies deutet darauf hin, dass es durch die Interaktion zwischen TAMRA und der Peptidsequenz auch zu einer Stabilisierung der linearen Peptide kommt. Durch CD-Spektroskopie konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass die linearen, mit TAMRA-markierten Peptide keine Sekundärstrukturelemente ausbilden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte also gezeigt werden, dass die Interaktion von TAMRA mit peptidbasierten Liganden nicht nur, wie bereits bekannt, zu Artefakten führt, sondern auch zur Stabilisierung von Peptiden beitragen kann. Der letzte Teil der Arbeit beschäftigte sich mit Strategien, Peptide für den therapeutischen Einsatz besser nutzbar zu machen, da dieser nach wie vor durch bestimmte Nachteile, wie z.B. eine geringe Plasmahalbwertszeit durch den raschen Abbau durch Proteasen im Blut oder eine schnelle Ausscheidung über die Nieren aufgrund ihrer geringen Größe, limitiert ist. Um den proteolytischen Abbau von Peptiden zu unterbinden, können zum Beispiel die Cyclisierung, oder die Überführung der Peptidsequenz in ein sogenanntes Peptoid, ein N-substituiertes Oligoglycin, genutzt werden. Die rasche Ausscheidung über die Nieren kann verzögert werden, in dem durch das Anhängen bestimmter Peptidsequenzen oder hydrophober Anker die Bindung an Serumalbumin vermittelt wird. Ein weiteres Ziel der Arbeit war es daher Peptoidsequenzen zu finden, welche an humanes Serumalbumin (HSA) binden können. Dazu wurde im Zuge einer von mir betreuten Masterarbeit eine One-Bead-One-Compound (OBOC)-Bibliothek aus Peptoidhexameren synthetisiert und mittels fluoreszenzbasiertem Screening auf Binder für humanes Serumalbumin durchmustert. Dabei konnten in einem mehrstufigen Screening-Prozess 22 „Hits“ isoliert und mittels MALDI-TOF-MS-MS untersucht werden. Dabei konnten am Ende nur sechs Sequenzen eindeutig identifiziert werden. Diese Sequenzen wurden im Rahmen dieser Arbeit resynthetisiert und mittels Fluoreszenzanisotropie-Messungen auf ihre Bindung an HSA untersucht. Dabei konnte eine Bindung an HSA, im niedrigen mikromolaren Bereich, nur für einen „Hit“ nachgewiesen werden. Dies belegt, dass Peptoide grundsätzlich als proteasestabile HSA-Anker geeignet sind, mit denen die Plasmahalbwertszeit von Peptiden verlängert werden könnte. In einer Wiederholung des Screenings mit verbesserten Bedingungen zur Abspaltung des HSA sollten in zukünftigen Arbeiten mehr HSABindesequenzen aufgeklärt werden können, um eine Konsensussequenz für peptoidbasierte HSABinder zu erhalten.

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