18.11.2020

Durch Beobachtung hunderter Proteine schneller zu neuen Medikamenten

Forscher/innen der ÖAW haben eine hochskalierbare Methode entwickelt, die es erlaubt, hunderte von Proteinen parallel zu untersuchen, um die Veränderungen ihrer Mengen und Lokalisierungen in der Zelle zu verfolgen. Diese neuartige Strategie kann verwendet werden, um die Auswirkungen von Wirkstoffkandidaten auf zahlreiche Proteine in der Zelle zu beobachten. Das könnte die Entwicklung von Medikamenten beschleunigen, wie die Wissenschaftler/innen im Fachjournal Genome Research schreiben.

Ein Zellpool mit hunderten markierten Proteinen
Ein Zellpool mit hunderten markierten Proteinen © Andreas Reicher / CeMM/ÖAW

Proteine sind große Moleküle in der Zelle, die für Struktur und Funktion von Gewebe und Organen im Körper erforderlich sind. Sie sind für fast alle Aufgaben des zellulären Lebens verantwortlich und können so vielfältig sein wie die Funktionen, die sie erfüllen. Die Mengen und Lokalisierungen von Proteinen innerhalb der Zelle steuern wichtige Aspekte vieler zellulärer Prozesse und können als Ziele für die Entwicklung von Medikamenten fungieren.

Neue Methode zur Wirkstoffentdeckung

Traditionell verwenden Wissenschaftler/innen eine Fluoreszenzmarkierung, um einzelne Proteine zu markieren und ihre Rolle in der Zelle zu untersuchen. Diese Methode erlaubt es, zum Beispiel die Effekte verschiedener Medikamentendosierungen auf ein einzelnes Protein zeitaufgelöst zu untersuchen.

Andreas Reicher und Anna Koren aus der Gruppe von Stefan Kubicek am CeMM - Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) haben nun eine neuartige Strategie entwickelt, die es zum ersten Mal erlaubt, Veränderungen in einer sehr hohen Anzahl von Proteinen parallel zu beobachten und zu charakterisieren. Mit dieser Methode können nicht nur die Wirkungen bestimmter bekannter Medikamente in den Zellen beschrieben und besser verstanden werden, sondern auch neue Wirkstoffe entdeckt werden, die durch Beeinflussung der Proteinspiegel oder -lokalisationen in den Zellen wirken.

Beschleunigung bei Entwicklung von Medikamenten

Die ÖAW-Forscher/innen entwickelten eine auf CRISPR-Cas9 basierende Markierungsstrategie, um Zellpools zu erzeugen, die hunderte von markierten Proteinen enthielten. Diese Zellpools wurden nun niedermolekularen Substanzen sowie dem zugelassenen Krebsmedikament Methotrexat ausgesetzt. Mithilfe von Zeitraffermikroskopie wurde dann beobachtet, ob es als Reaktion auf die Behandlung zu Veränderungen in der Konzentration oder Lokalisierung der markierten Proteine der Zellen im Pool kam. Eine In-situ-Sequenzierung ermöglichte zudem festzustellen, welche der hunderten Proteine im Zellpool die Lokalisierung veränderten. So konnten die Forscher/innen sowohl erwartete als auch bisher unbekannte Auswirkungen der Substanzen aufspüren.

„Diese Methode kann auf chemische Bibliotheken und Kandidatenmoleküle angewandt werden, um Wirkstoffe zu entwickeln und umfassend zu charakterisieren“, erklärt Stefan Kubicek vom CeMM der ÖAW. Dadurch könne die Entwicklung von Medikamenten mit neuartigen Wirkmechanismen beschleunigt werden, ist Kubicek zuversichtlich.

 

AUF EINEN BLICK

Publikation:

„Pooled protein tagging, cellular imaging, and in situ sequencing for monitoring drug action in real time“, Andreas Reicher, Anna Koren, Stefan Kubicek, GenomeResearch, 2020
DOI: www.genome.org/cgi/doi/10.1101/gr.261503.120

Förderung:

Die Studie wurde mit Unterstützung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), des Bundesministeriums für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort, der Österreichische Nationalstiftung für Forschung, Technologie und Entwicklung, des Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) sowie mit Forschungsgeldern des Europäischen Forschungsrats (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms „Horizont 2020“ der Europäischen Union finanziert. Andreas Reicher wurde durch ein PhD-Stipendium des Boehringer Ingelheim Fonds unterstützt.