Robert Huber (2015) - Structural Aspects of Protease Control in Health and Disease and my Experience with Translation into Practice and Business

As a student in the early nineteen sixties, I had the privilege to attend winter seminars organized by my mentor, W. Hoppe, and by M. Perutz, which took place in a small guesthouse in the Bavarian-Austrian Alps

If one speaks of structural aspects, then of course, the question is, how do we determine structure? So let me show a few slides on the history of Structural Chemistry, and Structural Biology, and how we learn to see atoms, and molecules. It goes back almost exactly 100 years, with the discovery of x-ray diffraction, by crystals, by Max von Laue, who worked in Munich. We commemorated this event worldwide, the Laue Centennial and then in 2014, the year of crystallography. This is so to say the birth document of Structural Chemistry and Structural Biology. A diffuse, I would say even ugly, diffraction photo of a crystal. This is Laue's publication in 1912, in the Berichte der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, a journal few would read, I would say. But the Nobel Committees, their members read it and they awarded Laue the Nobel Prize two years later. This is Laue, at one of the first meetings in Lindau, sharing to Count Bernadotte a crystal lattice. Foundation of x-ray diffraction. This is Roentgen, this is Laue, they both worked in the Munich University, side by side. Laue a professor of Theoretical Physics, Roentgen professor of Experimental Physics. These are their instruments that you can see in Munich in the Deutsches Museum. So instruments that I would say, changed the world of natural sciences. The experiment of Laue was, became known quickly, to the, physical and chemical community. And became known to father and son Bragg who worked in Cambridge, England. And they immediately grasped the importance of Laue's discovery as a structure determination tool of first simple crystals, and then more complex ones, in determining the structure of the molecules making up those crystals. The Braggs founded a school, which became the birthplace of Molecular Biology. Max Perutz worked there, he's the father of protein crystallography, because he found a way to decipher the complex diffraction patterns of proteins. Founding fathers of Molecular Biology and Structural Biology. Growth of biological crystallography. A slow start in the early 60s, by the first structures, myoglobin and haemoglobin, Kendrew and Perutz in Cambridge, England. And then from 1990 on, we saw an exponential growth simply because of the technological advances of fast detectors, x-ray detectors, powerful x-ray sources, fast computers, and of course then, the applications in medicine and biotechnology, in which I would like to focus right now. Hartmut Michel spoke about a similar exponential increase in our knowledge in membrane protein structures. The first one was determined in 1985, the photosynthetic reaction center, which led to a Nobel Prize to Deisenhofer, Hartmut Michel and myself. This is a picture of my institute, when it was inaugurated. And I moved in in 1972. An institute in the forest, and some called it, not Martinsried but Martinsruh, it was a peaceful place, these are the outskirts of Munich. It was scientifically not peaceful. There was a group of prominent scientists there, two Nobel Laureates, this is Adolf Butenandt who was chemistry Nobel Laureate for his work on human sexual hormones. This is Feodor Lynen, physiology Laureate for his work on fatty acid synthesis, and there is a very young guy sitting on the edge, this is Pehr Edman, by the way. All of you know about Edman degradation. He unfortunately died prematurely. Now this is the campus in Martinsried today. This was the first institute building that I showed to you. A second Max Planck Institute was added, and here is the number three, which is the Innovation Center. I come back to that, it's an incubator for small companies, and many university institutions around. Now, how do we use, for biotechnology and drug design, ligand design, protein structure information? It's very simple in principle. I have chosen thrombin, which is still an important target for cardiovascular diseases. So we first look at the apoprotein. We look at the substrate binding site, and then we perhaps let our chemical fantasy work, that is, we look at the stereochemistry, the shape of the binding site, the electrostatics, hydrogen bonding. And we design a small molecule which has to be synthesized and then tested of course. This is a circular process, improving, changing and improving, the ligand and testing. Well we need, and do have programs that help us in screening the target protein surface, according to the finding of binding pockets, their shape and their electrostatic hydrogen bonding properties. And this is actually very much necessary, if we search for small molecules, for a protein target. The chemical space is incredibly large. There is no way to synthesize all these molecules, or to screen them against a certain target. So we have to use modeling, to design, and perhaps synthesize focused libraries. This is an important aspect of drug design, right now. We can use nature to help us. Again, I'm focusing on one target, that is thrombin, which you see here in blue. We analyze the structures of some extremely powerful natural anticoagulants in the tick. In the tick here, in the leach here, and in a blood-sucking bug. They produce, they are bags full of coagulant, protein inhibitors, very powerful ones. Some of them are actually used in the clinic, hiridun, for instance, with some problems, because it is so powerful, that it shuts coagulation completely down, which is unwanted. This can be used to make a chemical chimera just using the C-terminal tail, and adding a small side group that binds them to the active site. So we can use nature as a guide for designing our library. Now I wanted to tell you about structural, the protease control, as it has been found by structural and functional studies. Hundreds of such natural inhibitors have been discovered, analyzed, and I'll just briefly go through this, simplified, a cartoon to show you what regulatory mechanisms have been found. So, a very simple one is, we have the enzyme, and there is a proteinaceous inhibitor that has a shape that is exactly complimentary to the protease. It exactly fits, is very specific and, usually, and the sual of such proteinaceous inhibitor is, by the way, substantially larger than sual of proteases. So nature takes great care in regulating protease activity. Some proteases are extremely specific. By having a substrate binding site, with a large number of sub-pockets, so it recognizes a long peptide chain very specifically. We do have a regulation by proenzyme activation, so most of the proteases are made in an inactive form, and they need activation by often limited proteolysis. And what happens here is that a part is cleaved off, and then the active site, the substrate binding sites, becomes accessible, but there are also cases where cleavage of the pro part then leads to an allosteric change. Some proteases are membrane bound, membrane anchored, to limit their action on the vessel surface. There are cofactors, that change the activity of an enzyme profoundly, because they offer an additional binding site for the substrates. So without that, the enzyme would be inactive. And there are cofactors that cause an allosteric change of the enzyme, and make it active, or inactivate. And there is a rather new activation process that we found when we looked at an ubiquitously present protein family, that of the dysk, or HTRs, high-temperature requirement proteases. They do have an enzyme pod, trypsin-like enzyme pod, and a PDZ domain. And substrate binding then leads that binding to the PDZ domain, leads to an allosteric change in the enzyme, and activation. And that was very new and very exciting to an aggregation, to an oligomerization, though the enzyme forms a shell around the substrate. And that is the proteasome on which I would like to focus briefly. So the proteasome showed us a new regulatory mechanism in this sense, that it forms a cage, and the active sites are inside the cage. And the entry into the cage is closed usually. And by opening the entry ports, then the enzyme becomes active. Well, you will see in a minute, that I, we wanted to translate the structural information that we had on the proteasome, into application. And we needed help. We needed help, and the help was given by an institution that was founded by the Max Planck Society called Lead Discovery Center, which brings a project, at the beginning stage, to a stage where it becomes interesting for big pharma. So this is the proteasome which I had suggested, to the Lead Discovery Center for further development. First we analyzed an archaeal enzyme, which showed the basic architecture, these four rings, forming a cylindrical, barrel-like. The active sites are inside here, and then a few years later, the eukaryotic yeast, and then again, mouse and human. Now the major difference between the simple archaeal, and the developed and evolved eukaryotic one is that all the subunits here are different. They are related, but they are different, generating specificity and higher activity. So this was the project I suggested to the Lead Discovery Center, an explanatory slide for the proteasome function. I mean, you have heard, or you will hear from Aaron Ciechanover and from Hershko about the discovery of the ubiquitin conjugation system, which labels proteins that ought to be degraded with a polyubiquitin chain. Now the execution of this system is the proteasome that we stucturally analyzed. In addition, it is the waste cleaner. The proteasome removes unfolded, non-functional, polypeptides from the cell, and it is essentially in the immune response. Because if this is of a vital, pathogenic origin, then the resulting peptides, resulting from proteasomal cleavage, are antigenic and they trigger the T-cell immune response. So a quite essential molecule. The more surprising it was, that an American pharma company, Millennium, had found, it was a serendipitous finding, that this little, small peptide like boronic acid, offers a new strategy against blood cancer, multiple myeloma. Big business, it became in no time. And stimulated the search for other proteasome inhibitors. I forgot to say that the bortezomib, this is the product label. Then is an inhibitor of the proteasome, so an intense search started. And many of the compounds that were found worldwide were sent to us to analyze them, about their binding to the proteasome. And this is a very small collection. And what you see here in yellow is what has been found in natural compound libraries. What fantastic compounds. They all have a warhead, a head group, that covalently binds to the N-terminal threonine. And no time to discuss the enzymatic mechanism of the proteasome, but it needs an N-terminal threonine as the active site residue. They all label that in different ways. Well this is an example of a discovery of a new chemical entity, a plant pathogen, Pseudomonas syringae. Needs a virulence factor, which our colleagues, plant biological colleagues, had been isolated. And we had found that what it does, it inhibits the plant proteasome, leads to accumulation of polyubiquitinated cyclin B1. This is the, molecular structure bound to the proteasome, bound to the N-terminal threonine. Well, so, the question for us was, and for the Lead Discovery Center, whether we should continue, with the proteasome, ligand development in view of the enormous activity worldwide. Can we compete for them? We thought we cannot, but we can find a niche. And the niche was, provided by the fact that, immune cells, upon an immune stimulation, express a different kind of proteasome, which is called immunoproteasome. It's very, very similar, but it has a somewhat different specificity. It makes more of the MHC class I ligand. In addition, the inhibition of the constitutive proteasome, so I mentioned bortezomib, is, involving, serious neuropathic toxicity. So there was a need for something else, and we focused on the immune proteasome. Again, there was structural information of mouse and now it's in the human case, so we could apply the tools of Structural Biology, to develop an immunoproteasome-specific inhibitor. So it would not only avoid the neuropathicity of the constitutive proteasome inhibition, but it would also offer a new strategy against autoimmune diseases. Well this is a, a, busy slide. And I would like to, skip that, but it is a summary of 50 or more, structural studies on proteasome, ligand complexes, whereby we found, that, by using a tool that is called Principal Component Analysis, that these structures cluster into two different, make two different clusters, the red cluster and the black cluster. And the black cluster is the structures of the apoenzyme and non-peptidic ligands, while the red cluster is the structure with peptidic ligands. With peptidic ligands, I mean, a peptide bound that exhibits four hydrogen bonds, exactly four. And if that is the case, then the constitutive proteasome, closes upon the bound peptitic ligand. And the exciting observation was that the immunoproteasome does not. The immunoproteasome is already in the apo state, in the preferred orientation, preferred structure, of the peptidic, peptide-bound complex. So that immediately explains why the immunoproteasome is faster, than the constitutive proteasome. That was then a point where big pharma became interested, which was actually the goal of the collaboration between me and the Lead Discovery Center. So, what I told you is, translation, either by approaching big pharma directly as an academic research institute, or by having a mediator, like this Lead Discovery Center, of the Max Planck Society, or, by becoming an entrepreneur yourself. Now, this is not what I wanted to do, but I found people, that wanted to go into this direction. And so, we founded in 1999, a company called Proteros. What does it do? It offers enabling technological services, that is the process which I just described, using structures, assays, protein production, to develop, to develop new drugs. And they work and integrate Lead Discovery. Of course at first it was a very small group. They had a home in the innovation center that I described before, in the middle of the campus. It has grown substantially. It has grown profitably now, to 70 people, and does not need an investor. This becomes important for what I am going to say, with the next company. Now this is what they offer, and what they sell. And they make a living on it. An interesting aspect is, because they have customers all around the world. And what this list shows to you, is, what they have is gallery structure. These are the structures, where the processes of protein preparation, crystallization, structure analysis, have been defined. They have crystals in the fridge, so if a customer comes and wants the structure of his compound for CDK2, he can get an answer in a few weeks. So these are shelf gallery structures. The interesting thing in that, it is interesting after, Eddie's talk, is that the majority of targets, are the kinases, many of them. The second large group is proteases, and some others. So the importance of kinases is very obvious. It's customer-driven, it's pharma, global pharma research driven. Well this I'll skip. And I come to the second company. Which we founded, again, in 2003, and again they were located, are still located, in this innovation center. So the importance of, with such incubators, cannot be overestimated. Well the text says here, was founded 2003, and it made investors big, lawyers and broker and founders happy, in 2015. So let me very briefly show to you the story, which goes back 40 years, actually. When we, in the middle 70s, worked out the first antibody, structures, you know this, Y-shaped molecule, antigens binding on the tips of these arms. There is a hinge area, these are the so-called FAB arms. There is a hinge area, connecting the stem part. And there is a glycopart, which is also very important. It was actually at that time the first structurally-defined glycoprotein. It was quite unexpected that the carbohydrate has structure, and has structural function. So, this is the mediator of the cellular immune response and the humoral immune response. And we were interested in the cellular immune response, but it took us almost 25 years until we came to a, a material that we could crystallize, and analyze. Now what are these FC receptors? So this would be a bacteria, a pathogen, covered with antibodies. And these antibodies with the FC part, bind to the FC receptors, and trigger the immune response. So, leading to inflammation, for instance. So it is a process that must be tightly controlled. Otherwise, there is, so it must be controlled by inhibitory receptors, and activating receptors. And the balance between these two, is essential. So what we did, was analyzing, the receptor itself, and then its complex, with the stem part. The FAB is unimportant for this, the arm part is unimportant for this kind of interaction. A novel structure, and here you see the, the interaction with the carbohydrate. So again we thought, when we saw this structure prominently published, can we make use of it? And we, considered several possibilities. So what we would like to do is to modulate the immune response, for instance in autoimmune diseases, by inhibiting the interaction of an opsonized antigen, with the FC receptor. And we thought a possibility would be to have a soluble receptor. So the picture is simple. This is the antigen, this one's the antibody, and there is in, there is the soluble receptor. Of course this then no longer can bind to the cell-bound receptor. So this is a scheme that shows what is happening. Well this was, then, the time already, and a project that is outside of what an academic institute can do, and we thought about founding a company, which we did. First a very small, small group of people that we could do, pre-clinical experiments with mouse and rat models on prominent autoimmune diseases, rheumatoid arthritis, multiple sclerosis, and lupus. And this was then advertised, and investors had been found, which began to finance, the more, extensive clinical studies, which are very expensive, I should say. So it went to phase one and phase two, which were successful. And then, of course, in different steps of financiation. There was a financiation around A, then came B, then C, then D, and the E. And with the E there was little or almost nothing left, for the initial founders. But that does not matter. What matters is this is, the company was sold to Baxter for an enormous sum, and for me, most important was, that Baxter continues to run the company's operation, so the team will stay together, the project will continue. So the happy investors are those major shareholders, a whole collection of funds, including the Max Planck Society, I'm happy about that. A happy end, for the company, I think, and I would like to thank you. But show this last slide, this is the old University of Munich. So this is where Laue and Roentgen worked a hundred years ago, and did the first experiments that led to, Structural Biology. Thank you.

Wenn jemand über strukturelle Aspekte spricht, dann fragt man sich natürlich, wie Struktur definiert wird. Ich zeige Ihnen jetzt ein paar Folien zur Geschichte der Strukturchemie und zur Strukturbiologie und wie wir lernten Atome und Moleküle zu sehen. Wir gehen fast genau 100 Jahre in der Zeit zurück, zur Entdeckung der Röntgenbeugung von Kristallen durch Max von Laue, der in München arbeitete. Wir gedenken dieses Ereignisses weltweit mit der Laue Jahrhundertfeier und 2014, dem Jahr der Kristallographie. Das ist sozusagen das Geburtsdokument der Strukturchemie und -biologie. Ein diffuses, ich würde sogar sagen hässliches Foto einer Kristalldiffraktometrie. Hier sieht man Laues Veröffentlichung von 1912, in den Berichten der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, ein Magazin, das nur wenige lesen würden. Aber die Mitglieder des Nobelpreiskomitee lasen es und verliehen Laue zwei Jahre später den Nobelpreis. Hier sieht man Laue bei einen seiner ersten Treffen in Lindau, bei dem er Graf Bernadotte ein Kristallgitter zeigt. Der Beginn der Röntgenbeugung. Hier sieht man Roentgen, hier Laue, beide arbeiteten an der Universität München. Laue, Professor theoretischer Physik und Roentgen, Professor experimenteller Physik. Hier sehen Sie die Instrumente, die im Deutschen Museum in München ausgestellt sind. Instrumente, die die Welt der Naturwissenschaft verändert haben. Die Neuigkeiten von Laues Experiment verbreiteten sich schnell unter den Physikern und Chemikern. So erfuhren auch der Vater und Sohn Bragg davon, die in Cambridge, England arbeiteten. Sie verstanden sofort die Bedeutung von Laues Entdeckung als ein Instrument zur Strukturbestimmung von zunächst einfachen Kristallen, und dann komplexeren Gebilden, wie die Molekülstruktur, aus der diese Kristalle bestehen. Die Familie Bragg gründete eine Schule, den Geburtsort der Molekularbiologie. Max Perutz arbeitete dort, der Vater der Proteinkristallographie, der einen Weg gefunden hatte, komplexere Beugungsmuster von Proteinen zu entschlüsseln. Die Gründungsväter der Molekular- und Strukturbiologie. Der Wachstum der biologischen Kristallographie. Ein langsamer Start Anfang der 60iger Jahre, durch die ersten Strukturen, Myoglobin und Hämoglobin, Kendrew und Perutz in Cambridge, England. Und dann ab 1990 sahen wir ein exponentielles Wachstum einfach nur aufgrund des technischen Fortschritts von schnellen Detektoren, Röntgendetektoren, leistungsfähigen Röntgenquellen, schnellen Computern und dann natürlich die Umsetzung in der Medizin und der Biotechnologie auf die ich mich jetzt gerne konzentrieren möchte. Hartmut Michel sprach von einem ähnlichem exponentiellen Wachstum unseres Wissens um Membranproteinstrukturen. Die erste wurde im Jahre 1985 entdeckt, das photosynthetische Reaktionszentrum, das Deisenhofer, Hartmut Michel und mir einen Nobelpreis einbrachte. Ein Bild meines Instituts bei der Einweihung. Und ich zog im Jahre 1972 ein. Ein Institut im Wald und einige nannten es Martinsruh statt Martinsried, weil es so ein ruhiger Ort war. Hier sieht man die Randgebiete Münchens. Wissenschaftlich gesehen, war es nicht so ruhig. Es gab eine Gruppe prominenter Wissenschaftler, zwei Nobelpreisträger. Hier haben wir Adolf Butenandt, Nobelpreisträger in Chemie für seine Arbeit an menschlichen Sexualhormonen. Das ist Feodor Lynen, Nobelpreisträger für Physiologie für seine Arbeit an der Fettsäuresynthese und in der Ecke sitzt übrigens Pehr Edman. Sie alle kennen das Edman-Abbau-Verfahren. Leider verstarb er frühzeitig. Hier haben wir den Campus in Martinsried heute. Das ist das erste Institutsgebäude, was ich Ihnen zuvor gezeigt habe. Ein zweites Max-Planck-Institut wurde hinzugefügt, und hier haben wir das dritte Gebäude, das Innovationszentrum. Darauf komme ich gleich noch einmal zurück, hierbei handelt es sich um einen Brutkasten für kleine Unternehmen und viele Hochschuleinrichtungen in der Umgebung. Wie verwenden wir also Proteinstruktur-Informationen in der Biotechnologie, dem Wirkstoffdesign und dem Ligandendesign? Hierbei geht es um ein sehr einfaches Prinzip. Ich habe Thrombin gewählt, bei dem es sich immer noch um ein wichtiges Ziel für kardiovaskuläre Erkrankungen handelt. Wir werfen zunächst einen Blick auf das Apoprotein. Wir schauen auf die Substratbindungsstelle, und lassen unserer chemischen Fantasie freien Lauf, wir schauen also auf die Stereochemie, die Struktur der Bindungsstelle, die Elektrostatik, und Wasserstoffbrückenbindungen. Und wir entwerfen ein kleines Molekül, das synthetisiert und dann natürlich getestet werden muss. Hierbei handelt es sich um einen Kreisprozess, der die Liganden verbessern, ändern und verbessern, testen soll. Wir haben und brauchen Programme, die uns helfen die Zielproteinoberfläche gemäß der gefundenen Bindungstaschen, ihrer Form und ihrer elektrostatischen Wasserstoffbindungseigenschaften zu screenen. Und dies ist notwendig, wenn wir nach kleinen Molekülen, nach einem Zielprotein suchen. Der chemische Raum ist unglaublich groß. Es gibt keine Möglichkeit, alle diese Moleküle zu synthetisieren oder sie gegen ein bestimmtes Ziel zu screenen. Wir müssen Modellierung verwenden, um zu designen und vielleicht um fokussierte Bibliotheken zu synthetisieren. Dies ist gerade jetzt ein wichtiger Aspekt der Arzneimittelentwicklung. Wir können die Natur nutzen, um uns zu helfen. Auch hier lege ich meinen Schwerpunkt auf ein Ziel, Thrombin, das Sie hier in blau sehen. Wir analysieren die Strukturen einiger extrem leistungsfähiger natürlicher Antikoagulantien in der Zecke. In der Zecke hier, hier im Blutegel und diesem blutsaugendem Käfer. Sie produzieren Taschen voller Koagulationsmittel, sehr starke Proteininhibitoren. Einige von ihnen werden klinisch verwendet, Hirudin zum Beispiel, allerdings nicht ohne Probleme weil es so stark ist, dass es die Koagulation komplett abschaltet, was wir nicht wollen. Dies kann verwendet werden, um eine chemische Chimäre nur unter Verwendung des C-terminalen Schwanzes zu bilden, und um eine kleine Nebengruppe hinzuzufügen, die sie an das aktive Zentrum bindet. So verwenden wir die Natur als Leitfaden für die Gestaltung unserer Bibliothek. Jetzt möchte ich Ihnen über Protease-Kontrolle erzählen wie es in strukturellen und funktionellen Studien definiert wurde. Hunderte solcher natürlichen Inhibitoren wurden entdeckt, analysiert, und ich gehe nur kurz darauf vereinfacht mithilfe einer Zeichnung ein, um Ihnen zu zeigen, welche Regulierungsmechanismen gefunden wurden. Eine sehr vereinfachte Darstellung, wir haben das Enzym und einen proteinartigen Inhibitor, der eine Form besitzt, die exakt komplementär zu der Protease ist. Es passt genau, ist normalerweise sehr spezifisch, und die Menge solcher proteinartiger Inhibitoren ist übrigens wesentlich größer, als die Menge der Proteasen. Die Natur reguliert mit großer Sorgfalt die Protease-Aktivitäten. Einige Proteasen sind äußerst spezifisch. Sie haben eine Substratbindungsstelle mit einer großen Anzahl Unterfächer, es erkennt also eine lange Peptidkette sehr genau. Wir haben eine Regulierung durch Proenzymaktivierung. Die meisten der Proteasen werden also in einer inaktiven Form hergestellt und sie müssen oft durch limitierte Proteolyse aktiviert werden. Hier wird ein Teil abgespalten und dann wird das aktive Zentrum, die Substratbindungsstellen, zugänglich, aber es gibt auch Fälle, in denen die Spaltung des Pro-Teils zu einer allosterischen Veränderungen führen. Einige Proteasen sind membrangebunden, membranverankert, um ihre Wirkung auf die Gefäßoberfläche zu begrenzen. Es gibt Cofaktoren, die die Aktivität eines Enzyms grundlegend verändern, weil Sie eine zusätzliche Bindungsstelle für die Substrate bieten. Ohne dies würde das Enzym also inaktiv bleiben. Es gibt Cofaktoren, die eine allosterische Veränderung des Enzyms verursachen, um es zu aktivieren oder inaktivieren. Wir haben ein ziemlich neues Aktivierungsverfahren gefunden, als wir uns eine ubiquitär vorliegende Proteinfamilie anschauten, die der DEGs, oder der Hochtemperatur-Proteasen. Sie haben eine Enzym-Dockstelle, eine Trypsin-ähnliche Enzym-Dockstelle, und eine PDZ-Domäne. Die Substratbindung führt dann dazu, dass die Bindung an die PDZ-Domäne zu einer Änderung im allosterischen Enzym und zur Aktivierung führt. Das war für eine Aggregation, einer Oligomerisierung sehr neu und sehr spannend wenn das Enzym eine Hülle um das Substrat bildet. Dabei handelt es sich um das Proteasom, auf das ich mich kurz konzentrieren möchte. Das Proteasom zeigte uns einen neuen Regulationsmechanismus in dem Sinne, dass es einen Käfig bildet, und die aktiven Zentren befinden sich in dem Käfig. Und der Eingang in den Käfig ist in der Regel geschlossen. Und durch Öffnen der Eintrittsöffnungen wird das Enzym aktiviert. Sie werden gleich sehen, dass wir die strukturellen Informationen zum Proteasom zur Anwendung umsetzten wollten. Aber wir brauchten Hilfe. Wir brauchten Hilfe, und diese erhielten wir von einer Institution, die von der Max-Planck-Gesellschaft namens Lead Discovery Centre gegründet wurde, die einem dabei hilft ein Projekt in der Anfangsphase zu einer Phase zu bringen, wo es für die großen Pharmaunternehmen interessant wird. Das ist also das Proteasom, das ich dem Lead Discovery Centre zur weiteren Entwicklung vorgeschlagen hatte. Zunächst untersuchten wir ein Archaea-Enzym mit der grundlegenden Architektur, diesen vier Ringen, die eine zylindrische, fassartige Form bilden. Die aktiven Zentren sind hier drinnen und dann, ein paar Jahre später, die eukaryotische Hefe, und dann wieder, Maus und Mensch. Der Hauptunterschied zwischen dem einfachen Archaea und dem entwickelten und eukaryotischen ist jetzt, dass alle Untereinheiten hier unterschiedlich sind. Sie sind zwar verwandt, aber verschieden, und erzeugen spezifische und höhere Aktivität. Das war also das Projekt, dass ich dem Lead Discovery Centre vorschlug, eine erklärende Folie für die Proteasom-Funktion. Sie haben bestimmt schon von Aaron Ciechanover und Hershko gehört oder werden von ihnen über die Entdeckung des Ubiquitin-Konjugationssystems gehört haben, das Proteine benennt, die mit einer Polyubiquitinkette abgebaut werden sollen. Die Ausführung dieses Systems ist das Proteasom, das wir strukturell analysiert haben. Darüber hinaus ist es ein Abfallreiniger. Das Proteasom entfernt ungefaltete, nicht-funktionelle Polypeptide aus der Zelle, und ist im wesentlichen eine Immunantwort. Denn, wenn dies vitalem, pathogenen Ursprungs entspricht, dann sind die resultierenden Peptide, die aus einem proteasomalen Schnitt resultieren, antigen. Und sie lösen eine T-Zell-Immunantwort aus. Also ein ganz wesentliches Molekül. Umso überraschender war es, dass ein US-amerikanisches Pharmaunternehmen namens Millenium, herausfand - eine glücklicher Fund -, dass dieses kleine Peptid, wie Boronsäure, eine neue Strategie gegen Blutkrebs, multiples Myelom, bietet. In kürzester Zeit wurde ein großes Geschäft daraus. Und es regte die die Suche nach anderen Proteasom-Inhibitoren an. Ich habe vergessen zu sagen, dass Bortezomib das Produktetikett ist. Also begann eine intensive Suche. Viele der Verbindungen, die weltweit gefunden wurden, wurden uns geschickt, um ihre Verbindung an das Proteasom zu analysieren. Hierbei handelt es sich um eine sehr kleine Sammlung. Was Sie hier in Gelb sehen, ist, was man in Naturstoffbibliotheken gefunden hat. Fantastische Verbindungen. Sie alle haben einen Gefechtskopf, eine Kopfgruppe, die sich kovalent an das N-terminale Threonin bindet. Wir haben keine Zeit, um den enzymatischen Mechanismus des Proteasoms zu diskutieren, aber es benötigt ein N-terminalen Threonin als aktives Seitenrest. Alle etikettieren dies auf unterschiedliche Weise. Auch dies ist ein Beispiel für eine Entdeckung einer neuen chemischen Substanz, einem Pflanzenpathogen, Pseudomonas syringae. Es braucht einen Virulenzfaktor, die unsere Kollegen in der Pflanzenbiologie isoliert haben. Und wir fanden heraus, dass es das Pflanzen-Proteasom hemmt und dies zu einer Ansammlung von polyubiquitiniertem CyclinB1 führt. Hier sieht man die Molekularstruktur an das Proteasoms und wiederum an das N-terminale Threonin gebunden. Die Frage für uns und das Lead Discovery Centre war, ob wir mit dem Proteasom, der Ligandenentwicklung angesichts der enormen Aktivität weltweit fortfahren sollten. Können wir mit Ihnen mithalten? Wir waren der Meinung, dass wir es nicht konnten, aber das wir eine Nische finden konnten. Und die Nische war durch die Tatsache gegeben, dass Immunzellen, nach einer Immunstimulation, eine andere Art von Proteasom hervorrief, das sich Immunoproteasom nennt. Es ist sehr, sehr ähnlich, hat aber eine etwas andere Spezifität. Es produziert mehr der MHC-Klasse-I-Liganden. Darüber hinaus umfasst die Hemmung des konstitutiven Proteasoms, wie erwähnt Bortezomib, schwere neuropathische Toxizität. Es wurde also etwas anderes benötigt, und wir konzentrierten uns auf das Immunproteasom. Wieder gab es strukturelle Informationen einer Maus und jetzt musste man es auf den Menschen anwenden, damit wir die Werkzeuge struktureller Biologie anwenden konnten, um einen Immunoproteasom-spezifischen Inhibitor zu entwickeln. So würde es nicht nur die Neuroplastizität der konstitutiven Proteasomhemmung verhindern, sondern es bot uns auch eine neue Strategie gegen Autoimmunerkrankungen. Auf dieser Folie zeigen wir sehr viel. Und ich würde diese gerne überspringen, aber es handelt es sich hier um eine Übersicht von 50 und mehr, Strukturuntersuchungen an Proteasomen, Liganden-Komplexe, bei denen wir mithilfe eines Werkzeugs namens Hauptkomponentenanalyse herausfanden, dass diese Strukturen sich in zwei verschiedenen Weisen ansammeln, die rote Gruppe und die schwarze Gruppe. Bei der schwarzen Gruppe handelt es sich um den Aufbau des Apoenzyms und der nicht peptidischen Liganden während es sich bei der roten Gruppe um die Struktur mit den Peptidliganden handelt. Mit Peptidliganden meine ich ein gebundenes Peptid, das genau vier Wasserstoffbrücken aufweist. Und wenn das der Fall ist, dann schließt sich das konstitutive Proteasom nach der Verbindung an die Peptidliganden. Und die spannende Beobachtung war, dass das Immunoproteasom dies nicht tut. Das Immunoproteasoms befindet sich schon im Apo-Zustand, in der bevorzugten Orientierung, der bevorzugten Struktur, des Peptid-gebundenen Komplexes. Das erklärt unmittelbar, warum das Immunproteasom schneller als das konstitutive Proteasom ist. An dieser Stelle war das Interesse der großen Pharmaindustrien geweckt, was das eigentliche Ziel der Zusammenarbeit zwischen mir und dem Lead Discovery Centre war. Entweder erfolgt dies, indem man die Pharmaunternehmen direkt als ein akademisches Forschungsinstitut kontaktiert, oder indem man einen Vermittler, wie das Lead Discovery Centre der Max-Planck-Gesellschaft hat, oder indem man selbst ein Unternehmer wird. Letzteres wollte ich nicht für mich selbst, aber ich habe Leute getroffen, die in diese Richtung gehen wollten. Also gründeten wir im Jahre 1999 ein Unternehmen namens Proteros. Wobei handelt es sich hier? Es bietet technologische Dienstleistungen, also den Prozess, den ich gerade beschrieben habe, indem es Strukturen, Assays, Proteinproduktion bietet, um neue Medikamente zu entwickeln. Und es arbeitet mit und integriert Lead Discovery. Am Anfang war es natürlich eine sehr kleine Gruppe. Sie hatten einen Platz im Innovationszentrum, das ich zuvor beschrieben hatte, in der Mitte des Campus. Seitdem ist es erheblich gewachsen. Es ist jetzt für 70 Personen profitabel und es braucht keinen Investor. Das ist hinsichtlich des nächsten Unternehmens, auf das ich eingehen werde, wichtig. Hier sehen Sie, was es bietet und was es verkauft. Sie verdienen damit ihren Lebensunterhalt. Ein interessanter Aspekt, weil sie Kunden weltweit haben. Und auf dieser Liste sehen Sie, welche Vielfalt es bietet. Dies sind die Strukturen, bei denen die Verfahren der Proteinzubereitung, Kristallisation und Strukturanalyse definiert wurden. Sie haben Kristalle im Kühlschrank. Wenn also ein Kunde kommt und die Struktur seiner Verbindung für CDK2 möchte, dann erhält er die Antwort in nur ein paar Wochen. Hierbei handelt es sich um "Galerie-Strukturen" aus dem Regal. Das Interessante dabei ist, und es ist interessant nach Eddies Vortrag, dass die Mehrheit der Ziele die Kinasen sind, und viele davon. Bei der zweitgrößten Gruppe handelt es sich um Proteasen und einige andere. Die Bedeutung der Kinasen ist also offensichtlich. Es wird durch Kunden und durch die globale Pharmaforschung getrieben. Das hier überspringe ich. Und ich komme zum zweiten Unternehmen. Wir gründeten es im Jahre 2003 und der Standort befand und befindet sich wieder im Innovationszentrum. Die Wichtigkeit solcher Gründerzentren ist also nicht zu unterschätzen. Der Text sagt hier, dass es im Jahre 2003 gegründet wurde, und es Investoren im Jahre 2015 reich und Rechtsanwälte, Makler und Gründer glücklich machte. Lassen Sie mich also kurz über die Geschichte sprechen, die in der Tat 40 Jahre zurückreicht. Als wir Mitte der 70iger Jahre die ersten Antikörperstrukturen ausgearbeitet hatten, also das Y-förmige Molekül, bindende Antigene an den Spitzen der Arme. Es gibt einen Scharnierbereich, das sind die sogenannten FAB-Arme. Hier gibt es einen Scharnierbereich, der den Stielteil anschließt. Es gibt ein Glykoprotein, das auch sehr wichtig ist. Zum damaligen Zeitpunkt, handelte es sich um das erste strukturell definierte Glykoprotein. Wir waren überrascht, dass das Kohlenhydrat eine Struktur hatte und eine strukturelle Funktion aufwies. Hierbei handelt es sich um den Mediator der zellulären Immunantwort und der humoralen Immunantwort. Wir waren an der zellulären Immunantwort interessiert, allerdings brauchten wir fast 25 Jahre bis wir ein Material fanden, dass wir kristallisieren und analysieren konnten. Wobei handelt es sich also bei diesen FC-Rezeptoren? Dies ist ein Bakterium, ein Erreger, das mit Antikörpern überzogen ist. Diese Antikörper mit dem FC-Teil binden sich an die FC-Rezeptoren und lösen eine Immunantwort aus. Das führt zum Beispiel zu Entzündungen. Es ist also ein Prozess, der genau überwacht werden muss. Daher muss er durch inhibitorische Rezeptoren und aktivierende Rezeptoren gesteuert werden. Und das Gleichgewicht zwischen diesen beiden ist wesentlich. Was wir also taten, war den Rezeptor selbst zu analysieren und dann seinen komplexeren Stielteil. Das FAB ist dafür unwichtig, das Armteil ist für diese Art der Interaktion unwichtig. Eine neue Struktur und hier sehen Sie die Interaktion mit dem Kohlenhydrat. Und wieder dachten wir, als diese Struktur veröffentlich wurde, können wir sie verwenden? Und wir zogen mehrere Möglichkeiten in Betracht. Was wir beabsichtigten, war die Immunantwort zu modulieren, beispielsweise bei Autoimmunerkrankungen, indem wir die Wechselwirkung eines opsonisierten Antigen mit dem FC-Rezeptor hemmen. Und wir dachten, eine Möglichkeit wäre, einen löslichen Rezeptor zu haben. Dieses Bild ist also einfach zu verstehen. Dies ist das Antigen, das hier ist der Antikörper, und hier drin befindet sich der lösliche Rezeptor. Natürlich kann sich dieser dann nicht mehr mit dem zellgebundenen Rezeptor binden. Dieses Schema zeigt, was passiert. Das war zu der damaligen Zeit und es handelte sich um ein Projekt, dass sich außerhalb dem befand, was eine akademische Institution tun kann, und wir dachten über die Gründung eines Unternehmens nach, was wir letztendlich taten. Zunächst mit einer sehr kleinen Gruppe von Personen, mit denen wir präklinischen Versuchen bei Maus- und Rattenmodellen der vorhandenen Autoimmunkrankheiten, rheumatoide Arthritis, Multiple Sklerose und Lupus durchführten. Dies wurde dann ausgeschrieben und es fanden sich Investoren, die die umfangreicheren klinischen Studien finanzierten, die sehr teuer sind. Wir durchliefen also zwei Phasen, die sehr erfolgreich waren. Und natürlich innerhalb verschiedener Finanzierungsschritte. Es gab eine Finanzierung für A, dann kam B, dann C, dann D und dann E. Und bei E war nur noch sehr wenig, oder fast nichts mehr für die Anfangsgründer übrig. Aber das ist nicht von Bedeutung. Was wichtig ist, ist dass das Unternehmen an Baxter für einen enormen Betrag verkauft wurde und für mich war am wichtigsten, dass Baxter weiterhin den Betrieb des Unternehmens fortführt, sodass das Team weiter zusammen arbeiten kann und das Projekt fortgeführt wird. Die glücklichen Investoren sind die Großaktionäre, die Finanzmittel einsammelten, einschließlich der Max-Planck-Gesellschaft. Das freut mich natürlich. Ein glückliches Ende für das Unternehmen und ich möchte mich bei Ihnen dafür bedanken. Hier auf der letzten Folie sehen Sie die Universität München. Hier arbeiteten Laue und Roentgen vor hundert Jahren und führten die ersten Experimente durch, die zur Strukturbiologie führten. Vielen Dank.

Robert Huber (2015)

Structural Aspects of Protease Control in Health and Disease and my Experience with Translation into Practice and Business

Robert Huber (2015)

Structural Aspects of Protease Control in Health and Disease and my Experience with Translation into Practice and Business

Abstract

As a student in the early nineteen sixties, I had the privilege to attend winter seminars organized by my mentor, W. Hoppe, and by M. Perutz, which took place in a small guesthouse in the Bavarian-Austrian Alps. The entire community of a handful of protein crystallographers assembled in a room which served as living and dining room and as auditorium for the lectures.
Today structural biologists organize large congresses with thousands of attendants and there exist many hundreds of laboratories specialized in this field. It appears to dominate biology and biochemistry very visibly.
Structural biology was successful, because it was recognized that understanding biological phenomena at the molecular and atomic level requires seeing those molecules.
Structural biology revealed the structure of genes and their basic mechanism of regulation, the mechanism of enzymes’ function, the structural basis of immune diversity, the mechanisms of energy production in cells by photosynthesis and its conversion into energy-rich chemical compounds and organic material, the mechanism that makes muscle work, the architecture of viruses and multi-enzyme complexes, and many more.
New methods had an essential impact on the development of structural biology. Methods seemed to become available in cadence with the growing complexity of the problems and newly discovered methods brought biological problems within reach for researchers, a co-evolutionary process of the development of methods and answerable problems.
An important additional incentive for structural biology came from its potential application for drug design and development by the use of knowledge of drug receptors at the atomic level. The commercial interest in application spurred this direction of research enormously.

My lecture will start out with a very brief review of the history of protein crystallography and continue with our studies since 1970 on proteolytic enzymes and their control. Proteolytic enzymes catalyse a very simple chemical reaction, the hydrolytic cleavage of a peptide bond. Nevertheless they constitute a most diverse and numerous lineage of proteins. The reason lies in their role as components of many regulatory physiological cascades in all organisms. To serve this purpose and to avoid unwanted destructive action, proteolytic activity must be strictly controlled.
Control is based on different mechanisms which I will discuss and illustrate with examples of systems and structures determined in my laboratory:

a) by specific inhibition with natural and synthetic inhibitors
b) by enzymatic specificity
c) by activation from inactive precursors accompanied or not by allosteric changes
d) by co-localization of enzyme and substrate
e) by cofactor binding accompanied or not by allosteric changes
f) by controlled access to the active site
g) by substrate-induced allosteric changes of the active site associated with oligomerization

The regulatory principles offer new opportunities of intervention for therapeutic purposes and use in crop science.

I then will let you share my experience with the foundation and development of two biotech companies with different business models, but both based on basic academic research in structural biology:
Proteros (www.Proteros.com) offers enabling technology services for Pharma- and Crop science companies imbedding all steps of the workflow molecular and structural biology can provide and commands and uses its platform for the generation of leads from identified targets to in vivo Proof of Concept (PoC).
Suppremol (www.Suppremol.com) specializes in the development of novel immune-regulatory therapeutics for the treatment of autoimmune diseases on the basis of a recombinant, soluble, non-glycosylated version of the human Fcg receptor IIB and of receptor binding antibodies.
Suppremol was recently acquired by Baxter International Inc. (NYSE:BAX) offering an ideal setting for its therapeutic projects.

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