Robert Huber (2016) - Protein Structures in Translational Medicine and Business Development, My Experience

My lecture will start out with very brief remarks on 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

Having seen so many beautiful molecular structures, I thought I should begin with a historical slide. It is a slide showing the people who are to be regarded as the fathers of structural chemistry. The date of birth of structural chemistry, that is the discovery of a method to see atoms in crystals and molecules, can be precisely dated to the observation of X-ray diffraction by crystals, by Max von Laue, of course. He used X-rays and his work required X-rays which had been discovered by Röntgen. And then proper use had to be made by X-ray diffraction and that is due to father and son Bragg who worked in Cambridge, England. And last then the discoverer, the father of protein crystallography, who also worked with the Braggs in Cambridge, England. What I would like to point out to the young people is that these are the 2 original instruments that Röntgen used for their experiments and Laue. They are on display in Munich at the Deutsches Museum. So if you have time then it’s worthwhile to see these instruments that revolutionised science and technology. Now, when Perutz and his associate Kendrew determined the first protein crystal structures, that was in the late ‘50s, early ‘60s, there was slow growth for several decades as you can see from this graph. And then from about 1990 on we see exponential growth. So what was the reason for this progress? It was the technological advances. And it was the recognition that understanding biology at the molecular level required to see these molecules and the applications in medicine. This latter point I would like to focus on in my lecture today. Well it is, I think, more than just a happenstance that the progress or the development of my own institute, which was the Max Planck Institute of Biochemistry, which was inaugurated in 1972, somewhat resembles the growth rate of protein crystallography. It was an institute in the forest, as you can see, in the outskirts of Munich. And some called it Martinsruh. It was really a quiet place. This is how the Campus Martinsried looks today. This is the original institute, the second Max Planck Institute had been added and a number of university institutes have been built on the campus. And here, number 3, is the Innovation and Founding Centre, an incubator for biotech companies. And I will come to that later. What use can we make of protein structures for medicine? Of course, I could have chosen examples from many different protein classes, perhaps except the photosynthetic proteins which, as Hans has said, have probably no medical application. Now, I choose proteolytic enzymes. These are enzymes that catalyse the very simple reaction of degrading by proteolysis, proteins, a simple chemistry. Yet we do have, as you can see here, a large number of different proteases in humans, in higher organisms, even in bacteria, more than 600. So why? For such a simple digestive reaction? Now, the reason is again easy to see because proteolysis, in particular limited proteolysis, is a major regulatory mechanism. So we started to work on proteases early on, in the early ‘70s, and then focused on the aspect of the regulation of proteolytic activity. Proteases are in fact quite dangerous because if left uncontrolled, they would digest cells, even organs and whole organisms. So they need careful control and, of course, this is also of great relevance as you will see for medical application. Now, this cartoon shows the various kinds of protease regulation that we found during our more than 3 decades long work in that field. I have no time to discuss these various mechanisms but just begin with the simplest one. That is we do have an enzyme, a protease, and we do have a natural inhibitor which binds very tightly and specifically to its enzyme and, of course, then prevents binding of substrate. This was the first structure in the early ‘70s. A simple digestive enzyme trypsin and the basic pancreatic trypsin inhibitor, tightly fitting, no structural change when we compared the complex structure with the structure of the individual components. It was the first high-resolution protein-protein interaction that was seen here. BPTI itself would deserve to have an hour's lecture because of its role that it played, not only in this system and in crystallography and explaining protease regulation but also it was the model compound for developing protein NMR. And it was the model compound for developing molecular dynamics. I hope that Martin Karplus will say a few words on that aspect. I would like to stay with these simple proteases which are called 'serine proteases', to which the digestive enzyme trypsin belongs, and now focus on a quite complex physiological cascade, namely the blood coagulation cascade which leads from a vessel injury to a thrombus. It is a cascade of limited proteolysis reactions which are carefully controlled. And we do have inhibitory components for most of the steps. But, as I said, essentially the main process is limited proteolysis by an upstream protease which cleaves and activates a downstream protease. I don’t have to say that the blood coagulation is of great medical importance, with the focus right now on the terminal protease which is called thrombin. So we did work on this enzyme. And this already shows the basic principle of structure-based drug design. So starting with a Hid peptide and seeing how it fits and then changing the chemistry such that there is a better binding. In fact this was successful by simply exchanging a phenylalanine residue by a naphthyl group. Now, we can also have a look at nature’s solution to this problem. These blood-sucking animals are actually bags full of coagulation inhibitors, mostly thrombin inhibitors, and we looked at their structures. So this, the blue object, is thrombin and the coloured objects are these natural inhibitors. Most prominent is hirudin from the leech which actually is a clinically used drug. And also a variant, a semi-synthetic variant, has been made by making use of this C-terminal tail of hirudin and linking it or derivatising it with a small chemical that attacks the active site residue. So we can look at nature and derive from it new design principles for inhibitors. Thrombin has another phase, too. Thrombin, of course, is the major coagulant. It cleaves fibrinogen, as I said, when it is activated but it is also an anti-coagulant. And it is an anti-coagulant when there is another protein around to which it binds which is called thrombomodulin. This is how thrombomodulin looks like. This is the binary complex of thrombin and thrombomodulin. Now what happens? Why does thrombin become an anti-coagulant? It becomes an anti-coagulant because now this binary complex is able to bind protein C which is also a blood coagulation cascade component. And only in the presence of thrombomodulin protein C is stably bound. And when it is bound and it’s processed by thrombin the proteolytic activity of thrombin, becomes active and then acts as a degradative enzyme in the coagulation cascade and so stopping coagulation. Well, there is another aspect which is quite interesting. Thrombin and all other natural serine proteases are activated by a limited proteolysis step themselves. They are synthesised as inactive precursors which is, of course, absolutely required, otherwise they would digest the organ, the pancreas where they are made. So they are made as inactive precursors, as zymogens and then activated, a limited proteolysis step. The mechanism, the basic mechanism, is such that the new N-terminus, which is generated by this limited proteolysis step, then folds into the centre of the molecule and causes a dramatic structural change which activates the enzyme. Now, nature is clever and pathogenic bacteria, staphylococci, misuse this mechanism by making a virulence factor that you see here which embraces the inactive prothrombin in a way that it sticks its N-terminus into the hole that is actually used to activate by limited proteolysis thrombin. So we had discovered this mechanism many years before we had the structure available. We called it mechanism of molecular sexuality. And we were really surprised to see it perfectly realised in nature by the staphylococci. Staphylococcal infections are very dangerous if not treated, they cause disseminated coagulation and actually the death of the patient. This is another development, structure-based development of a protein in the coagulation cascade. This is factor 10a, again we had determined the structure, it’s a membrane associated protease. And the company Bayer has developed a small molecule on that basis, which has become a blockbuster and a billion euro business right now. I think I will skip this. Just telling you that the principle of lock-and-key inhibition of the serine proteases, as exemplified with thrombin and trypsin, is also seen in the other major classes of proteinases with cysteine-like proteinases, the metalloproteinases, though there are natural inhibitors that prevent and inhibit these proteinases in a lock and key and in a substrate-like manner. A few words about proteases in physiology and in pharma development. This is the dipeptidyl peptidase, a protease port and an entry port where the substrate enters. Now why is this interesting? It’s interesting because it inhibits insulin secretion, or insulin synthesis actually, which is induced by incretins, these are gut hormones which are then in the pancreas inducing insulin synthesis. Dipeptidyl peptidase inhibits or cleaves the N-terminus from these 2 incretins, makes them inactive. So this offered a novel way to treat diabetes, and you see from the list of molecules and of big pharma that are working in this field. Of course, all on the basis of the crystal structures that we had determined years ago. The same is true with another protease, that is membrane-associated and it acts both intracellular and extracellular and has an important physiological function in membrane transport. But also it is misused, again, by pathogenic bacteria and viruses which use furin as a receptor and also they require a proteolytic cleavage step by furin. Now this is how furin looks like, the protease part and an associated domain. It has a rather specific specificity, namely it cleaves after polybasic stretches of sequence. The fact that it is required by pathogens then, of course, suggested to develop this as an antibiotic, furin as an antibiotic target. In fact, these mouse experiments clearly show that you can rescue mice from serum 1 as exotoxin intoxication. They die after 2 days and when you give a specific furin inhibitor they survive. Still, there was no development after these first mouse experiments, probably or simply because of toxicity effects. I told you about the problems and the role that furin plays in human physiology. As I said I skip all of these different regulatory mechanisms that we had found in this almost 30 years of work and jump to the last one, which was a novel regulatory mechanism not seen before. It is a large intercellular protease, called the proteasome, which is made out of 28 subunits. It has the active sites inside the cylindrical molecule and substrate cannot enter because the entry gates are closed. So regulation there is by opening and closing the entry gate. The role of the proteasome is manifold. Of course, it plays a most prominent role as the executioner of the ubiquitin conjugation pathway. It is also the waste cleaner. It is essential in immunology because if the proteins it degrades in cells are from viral origin or foreign, then the peptides generated are antigenic and transported to the cell surface to trigger a T-cell immune response. These were the first structures that we determined, first the simple one from archaea. It has a conserved architecture, as you can see, 4 rings, 7-fold symmetry. But the archaeal enzyme is chemically much simpler. You saw the example Hans has described of the archaeal reaction centre compared to photosystem 2. The same we see here again when we compare the archaeal proteasome with the yeast, the eukaryotic and yeast and mammalian proteasome. Now, in that all the Alphas are different and all the Betas are different but still the architecture is maintained. The main finding concerning medical application was by serendipity in a small American company. They found that the simple boronate peptides offer a new strategy against haematological disorders, multiple myeloma. Now, we found it was quite clear what it does: it inhibits the proteasome by forming an ester bond between this boronic acid and the active site N-terminal threonine which is, as I said, located inside the molecule. This spurred then enormous activity worldwide. People searched for novel chemical entities, also as proteasome inhibitors. We were approached for many years by people who had discovered novel chemical entities and they wanted to know how they bind. Now, this is a very small part of that story of this collection. What you see here in yellow were new chemicals found in natural compound libraries. It’s quite surprising that natural compound libraries are extremely rich in proteasome inhibitors. Now, they all look different from a distance and they are different, except that they all do have a head group, 'a warhead' it’s called, which chemically reacts with the N-terminal threonine. This was the example where we were directly involved, a collaboration with a plant biologist who had discovered that this plant pathogen which kills bean plants needs a virulence factor now of this formula. What we found is that it inhibits the plant proteasome, leads to apoptosis and finally the killing of the bean plant. It was again a novel chemical entity synthesised and modified and developed further. The problem with the proteasome as a drug target is that, as said, it offers a novel way to treat haematological disorders but it shows disastrous side effects, in particular against nerve cells. It was known that hematopoietic cells do have a slightly different proteasome which is called immunoproteasome - slightly different only but somewhat more active and somewhat different specificity. So we thought if we are able to specifically target the immunoproteasome then this might help to avoid the toxicity of inhibiting the constitutive proteasome and even it would offer a possibility and a new strategy against autoimmune disorders where one would like to reduce the immune response. Of course, this is already work that is beyond what a at that time small academic group, I was already retired, can do. This cartoon shows the problem, the basic problem of the translation of academical results into industry, the translation, the financing gap. Fortunately we do have in the Max Planck Society a daughter that was set up in order to advance ideas or materials from the academic Max Planck Groups to a further stage such that it becomes interesting for industry. So I suggested to them the proteasome and in particular the immunoproteasome and they accepted it. We still continue to work with these limited resources on basic sciences, basic science of the immunoproteasome. We found out, for instance, that when we reanalysed these 50 or more different proteasome complexes and compare them with the complexes from the immunoproteasome, we found out by principle component analysis assisted by molecular dynamic simulations, that the constitutive proteasome upon peptide ligand binding undergoes a small structural change, which, of course, is energy-costly while the immunoproteasome does not require this conformational change and immediately explains the higher activity of the immunoproteasome. So that directed, of course, the process of finding specific immunoproteasome inhibitors to exclusively follow the peptidic model. Of course, also the LDC can’t do without the partner and they joined a strategic partnership with big pharma. And there is substantial progress now with animal models, rheumatoid arthritis which is an autoimmune disease and systemic lupus. Now, there is little time left, but in the last few minutes I would like to mention my direct involvement in the foundation of business. That goes back to 1999 when a former doctoral student, a postdoc and myself founded a company. It was just a few people at that time, 3 or 4 people. Now it has grown to about 70 members. They have their own building in the Munich area and what they do is they provide services, enabling technology services and lead discovery services to big pharma. This is the work flow and they have some special instruments, namely to improve crystalline quality. I mean, this has not really been said so far but, most of the crystals that we get are weakly or badly disordered, show disorder diffraction. But there is a way where we can improve the crystal quality by changing in a very controlled way the humidity. And more recently also finding out that we can simplify this by using an infrared laser. What happens then is that there is a slight shrinkage of the crystal which in a number of cases then improves the crystal quality from 3.5 angstrom resolution to 1.7 angstrom resolution. So that’s quite easy to apply. Now, this is the list of the customers this service company has, which is in principle quite surprising because all of these pharma companies do have their own structural biology groups. Yet they approach service groups like Proteros and buy these services because they are cheaper in a sense and perhaps faster and better. So there is room for these service groups, even in this pharma environment. Now, the most interesting part – well, I co-founded with again 2 doctoral students and postdocs in 2003 a company called SuppreMol which works on therapeutic proteins for autoimmune diseases. And what the title here says, that the recent outcome, which was 1.5 years ago, made investors very happy, made lawyers and brokers happy and founders also happy for a certain reason. So the work actually goes back to work that we did 40 years ago, namely antibody structures. So this is a complete antibody with its Fab-arms, with which it recognises the antigens. And this is the stem part, so to say the business end of the molecule. What antibodies do is they either trigger the cellular immune response when they are bound to an antigen or the humoral immune response. We were interested in the cellular immune response. So this is a cartoon that shows what is happening. There is the antigen opsonised, so with a large number of antibodies bound. And this opsonised antigen reacts with receptors on immune cells and triggers either activation or inhibition. So this system requires an extremely careful balance of activation and inhibition, therefore you have 2 different kinds of receptors which, by the way, look very similar. Now, what we did was looking at the structures of the receptor and of the Fc part, then having seen that we thought we could make use of it. In order to modulate immune response we thought we’d make use of a soluble Fc receptor. The cartoon here shows what the business idea was, namely there is an antigen opsonised. The soluble receptor is around which then binds to the stem part, to the business end, and this, of course, is no longer able to bind to the cellular receptor. So we inhibit the immune response. This is what the idea was. We had another approach by using specific antibodies. I have no time to say that, of course. The group, the SuppreMol group, had already grown to about 20 people, it needed investment. At the end it had an investment of about €40 million after these 10 years. The investors stayed on board. They, at the end, started to become impatient but, I mean, the animal pre-clinical experiments and also the first phase clinical experiments were very promising. You see it on this curve but then, fortunately, it happened and a big American company bought the SuppreMol for a large sum of money. As I said it made investors very happy. One of the investors was the Max Planck Society even. And it made the founders happy, not because of money, but because of the fact that now the project continues under the umbrella of big pharma. Even the team stayed together, even in the premises they are. Well, this is the last slide I would like to show and hope that I have shown in particular with these 2 examples of spin-offs, there is satisfying life outside academia. And you can do work there for the benefit of mankind also. This is my home town, Munich, this is the old part of the university. And this is where Röntgen, who was Professor of experimental physics, and Laue worked at the time of Laue’s key discovery. Thank you.

Nachdem wir jetzt so viele schöne Molekularstrukturen gesehen haben, dachte ich, ich sollte mit einem historischen Dia einleiten. Es ist ein Dia, auf dem die Menschen zu sehen sind, die als Väter der Strukturchemie angesehen werden müssen. Nun, die Geburtsstunde der Strukturchemie, d.h. die Entdeckung einer Methode, um Atome in Kristallen und Molekülen zu sehen, kann natürlich präzise auf die Beobachtung der Röntgenbeugung an Kristallen durch Max von Laue zurückdatiert werden. Er hat Röntgenstrahlen verwendet und für seine Arbeit waren Röntgenstrahlen erforderlich, die von Röntgen entdeckt worden waren. Und den zweckentsprechenden Einsatz der Röntgenbeugung hat man dann schließlich Bragg und seinem Sohn zu verdanken, die in Cambridge, England arbeiteten. Und zuletzt noch der Entdecker, der Vater der Proteinkristallographie, der ebenfalls mit den Braggs in Cambridge, England arbeitete. Nun, ich würde die jungen Leute gerne darauf hinweisen, dass dies die beiden Originalinstrumente sind, die Röntgen und Laue für ihre Experimente verwendeten. Sie werden im Deutschen Museum in München ausgestellt. Wenn Sie also Zeit haben, dann lohnt es sich, sich diese Geräte anzusehen, die Wissenschaft und Technik revolutioniert haben. Nun, als Max Perutz und sein Partner Kendrew die ersten Proteinkristallstrukturen bestimmten, wie sie hier in diesem Diagramm sehen können. Und dann ab 1990 sehen wir einen exponentiellen Fortschritt. Was war nun der Grund für diesen Fortschritt? Es waren die technologischen Fortschritte. Und es war das Eingeständnis, dass ein Verständnis der Biologie auf molekularer Ebene voraussetzt, dass man diese Moleküle und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin sieht. Auf diesen letzten Punkt würde ich mich heute gerne in meinem Vortrag konzentrieren. Es ist, denke ich, mehr als nur ein glücklicher Zufall, dass der Fortschritt im Aufbau meines eigenen Instituts, dem Max-Planck-Institut für Biochemie, das 1972 eröffnet wurde, in gewisser Weise der Fortschrittsrate der Proteinkristallographie entspricht. Es war ein Institut im Wald, wie sie sehen, am Stadtrand von München. Und manche nannten es Martinsruh. Es war ein wirklich ruhiger Ort. Nun, so sieht der Campus Martinsried heute aus. Das ist das ursprüngliche Institut, das zweite Max-Planck-Institut kam dazu, und eine Reihe von Universitätsinstituten wurde auf dem Campus gebaut. Hier die Nummer 3 ist das Innovations- und Gründerzentrum, ein Gründerzentrum für Biotech-Unternehmen. Ich werde später darauf zu sprechen kommen. Wie können wir Proteinstrukturen für die Medizin nutzen? Ich hätte natürlich Beispiele für viele verschiedene Proteinklassen wählen können, außer vielleicht den Photosynthese treibenden Proteinen, die, wie Hans sagte, wohl keinen medizinischen Nutzen haben. Nun, ich habe die proteolytischen Enzyme gewählt. Das sind Enzyme, die die sehr einfache Reaktion des Abbaus von Proteinen durch Proteolyse katalysieren – einfache Chemie. Es gibt jedoch, wie Sie hier sehen, eine große Zahl verschiedener Proteasen im Menschen, in höheren Organismen, selbst in Bakterien, mehr als 600. Wieso? Für eine so einfache Verdauungsreaktion? Nun, der Grund ist wieder einfach zu erkennen, denn die Proteolyse, besonders die partielle Proteolyse, ist ein wichtiger Regulierungsmechanismus. Wir haben also in den frühen Siebzigern angefangen an den Proteasen zu arbeiten und haben uns dann auf den Aspekt der Regulierung der proteolytischen Aktivität konzentriert. Proteasen sind eigentlich recht gefährlich, denn wenn sie nicht unter Kontrolle gehalten werden, würden sie Zellen, sogar Organe und ganze Organismen verdauen. Also müssen sie sorgsam kontrolliert werden, und das ist natürlich, wie Sie sehen werden, sehr relevant für die medizinische Anwendung. Nun, diese Darstellung zeigt die verschiedenen Formen der Proteasenregulierung, die wir während unserer mehr als drei Jahrzehnte währenden Arbeit auf diesem Gebiet entdeckt haben. Ich habe keine Zeit, um über all diese verschiedenen Mechanismen zu sprechen, aber ich werde schlichtweg mit dem einfachsten beginnen. Hierbei haben wir ein Enzym, eine Protease, und einen natürlichen Inhibitor, der sich sehr eng und eigens an sein Enzym bindet und natürlich somit die Bindung von Substrat verhindert. Das hier war die erste Struktur in den frühen Siebzigern. Ein einfaches Verdauungsenzym, das Trypsin, und der Pankreas-Enzyminhibitor für Trypsin, eng aneinander anliegend, keine strukturelle Veränderung, wenn wir die komplexe Struktur mit der Struktur der einzelnen Bausteine vergleichen. Das war die erste Interaktion zwischen zwei Proteinen, die man in hoher Auflösung beobachtet hat. Der pankreatische Rinder-Trypsin-Inhibitor (BPTI) würde einen eigenen einstündigen Vortrag verdienen wegen der Rolle, die er gespielt hat, nicht nur in diesem System, in der Kristallographie und beim Erklären der Proteasenregulierung, sondern auch weil er die Modellverbindung in der Entwicklung der Kernspinresonanzspektroskopie war. Ich hoffe, dass Martin Karplus ein paar Worte dazu sagen wird. Ich würde gerne bei diesen einfachen Proteasen bleiben, die Serinproteasen genannt werden und zu denen auch das Verdauungsenzym Trypsin gehört, und mich auf eine recht komplexe physiologische Kaskade konzentrieren, nämlich die Blutgerinnungskaskade, die von Gefäßverletzungen zu einem Thrombus führt. Es handelt sich dabei um eine Kaskade partieller Proteolysereaktionen, die sorgsam unter Kontrolle gehalten werden. Und bei fast jeder Phase in diesem Prozess haben wir hemmende Komponenten. Wie ich aber schon sagte, beruht der hauptsächliche Prozess auf einer vorgelagerten Protease, die eine nachgelagerte Protease aktiviert und spaltet. Ich muss Ihnen nicht erzählen, dass die Blutgerinnung von höchster medizinischer Bedeutung ist und konzentriere mich nun auf eine Terminus-Protease, nämlich das Thrombin. Wir haben also an diesem Enzym gearbeitet. Und das hier zeigt Ihnen schon einmal das Grundprinzip der strukturbasierten Medikamentenentwicklung. Man beginnt also mit einem Hid-Peptid und schaut, wie es passt, und dann verändert man die Chemie so, dass eine bessere Bindung entsteht. Tatsächlich war dies erfolgreich, indem man einfach einen Phenylalanin-Rest durch eine Naphthylgruppe ersetzt hat. Nun, wir können uns auch die Lösung der Natur für dieses Problem ansehen. Diese blutsaugenden Tiere sind eigentlich Beutel voller Gerinnungshemmer, hauptsächlich Thrombin-Inhibitoren, und wir haben uns deren Struktur angeschaut. Das hier, das blaue Objekt, ist das Thrombin und die farbigen Objekte sind diese natürlichen Inhibitoren. Am auffälligsten ist das Hirudin der Blutegel, das tatsächlich ein klinisch eingesetztes Medikament ist. Und auch eine halbsynthetische Variante davon ist erzeugt worden, indem man sich dieses C-Terminus-Endstück des Hirudins zu Nutze macht und es mit einer kleinen Chemikalie, die den Rest am aktiven Zentrum angreift, verbindet oder derivatisiert. Wir können uns also die Natur ansehen und aus ihr neue Entwürfe für Inhibitoren ableiten. Thrombin hat auch noch eine andere Phase. Thrombin ist natürlich das wichtigste Gerinnungsmittel. Es teilt das Fibrinogen, wie ich bereits sagte, wenn es aktiviert wird, aber es ist auch ein Gerinnungshemmer. Es ist ein Gerinnungshemmer, wenn ein weiteres Protein in der Nähe ist, an das es sich bindet und welches Thrombomodulin genannt wird. So sieht das Thrombomodulin aus. Das ist der binäre Komplex von Thrombin und Thrombomodulin. Was geschieht nun? Warum wird das Thrombin ein Gerinnungshemmer? Es wird zum Gerinnungshemmer, weil dieser Binärkomplex in der Lage ist, das Protein C zu binden, welches ebenfalls ein Bestandteil der Blutgerinnungskaskade ist. Und nur in der Gegenwart von Thrombomodulin wird Protein C stabil gebunden. Und nachdem es gebunden wurde und von Thrombin verarbeitet wurde, wird das Thrombin aktiv proteolytisch und agiert dann als degradierendes Enzym in der Gerinnungskaskade und beendet somit die Gerinnung. Nun, da ist noch ein weiterer Aspekt, der recht interessant ist. Thrombin und alle anderen natürlichen Serinproteasen werden selbst von einem partiellen Proteolyseschritt aktiviert. Sie werden als inaktive Vorläuferstoffe synthetisiert und das ist natürlich absolut notwendig, denn anderenfalls würden sie das Organ, den Pankreas, wo sie produziert werden, verdauen. Sie werden also als inaktive Vorläuferstoffe, als Zymogene, produziert und dann aktiviert, ein partieller Proteolyseschritt. Der Grundmechanismus besteht darin, dass der neue N-Terminus, der von diesem partiellen Proteolyseschritt generiert wird, sich dann ins Zentrum des Moleküls hinein faltet und eine dramatische strukturelle Veränderung auslöst, die das Enzym aktiviert. Nun, die Natur ist clever und krankheitserregende Bakterien, Staphylokokken, missbrauchen diesen Mechanismus, indem sie einen Virulenzfaktor herstellen, den Sie hier sehen, der das Protothrombin umschließt und dabei seinen N-Terminus in der Öffnung platziert, die eigentlich dazu verwendet wird, das Thrombin durch partielle Proteolyse zu aktivieren. Wir hatten also diesen Mechanismus, viele Jahre bevor wir die Struktur kannten, entdeckt. Wir nannten diesen Mechanismus Molekülsexualität. Und wir waren wirklich überrascht, das Ganze in der Natur von den Staphylokokken so perfekt umgesetzt zu sehen. Infektionen mit Staphylokokken sind sehr gefährlich, wenn sie nicht behandelt werden. Sie führen zu einer disseminierten Blutgerinnung und tatsächlich zum Tod des Patienten. Das ist ein weiteres Beispiel für die strukturbasierte Entstehung eines Proteins in der Gerinnungskaskade. Das ist Faktor 10a, wieder hatten wir die Struktur bestimmt, es handelt sich um eine membranassoziierte Protease. Und die Firma Bayer hat ein kleines Molekül auf dieser Grundlage entwickelt, das gerade zum Kassenschlager und Milliardengeschäft geworden ist. Ich denke, ich werde das überspringen. Ich sage Ihnen dazu nur, dass das Schlüssel-Schloss-Prinzip der Serinproteasen, das ich mit Thrombin und Trypsin veranschaulicht habe, auch bei anderen wichtigen Klassen der Proteinasen beobachtet werden kann, beispielsweise bei den Cystein-ähnlichen Proteasen und den Metalloproteasen die diese Proteinasen mittels des Schlüssel-Schloss-Prinzips und im Substratzustand hemmen. Ein paar wenige Worte zu Proteasen in der Physiologie und der Medikamentenentwicklung. Das hier ist die Dipeptidylpeptidase, eine Proteasenschnittstelle und ein Zugang, wo das Substrat hereinkommt. Nun, warum ist das interessant? Es ist interessant, da es die Ausschüttung von Insulin bzw. sogar die Insulinsynthese hemmt. Dies wird durch Inkretine bewirkt, das sind Darmhormone, die im Pankreas die Insulinsynthese auslösen. Die Dipeptidylpeptidase hemmt oder spaltet den N-Terminus von diesen beiden Inkretinen ab und macht sie inaktiv. Dies bot eine neue Methode, um Diabetes zu behandeln, wie sie an der Liste von Molekülen und großen Pharmaunternehmen, die auf diesem Feld tätig sind, erkennen können. All das natürlich auf Grundlage der Kristallstrukturen, die wir vor Jahren ermittelt hatten. Gleiches gilt für eine weitere Protease, die membranassoziiert ist und gleichzeitig intrazellulär und extrazellulär agiert und eine wichtige physiologische Funktion beim Membrantransport hat. Das Furin wird aber auch wieder von krankheitserregenden Bakterien und Viren missbraucht, die es als Rezeptor nutzen und sie benötigen auch eine proteolytische Spaltung durch das Furin. Nun, so sieht das Furin aus, der Proteasen-Teil und eine assoziierte Domäne. Es verfügt über eine recht spezifische Besonderheit, es spaltet nämlich nach polybasischen Abschnitten der Sequenz. Die Tatsache, dass es von Krankheitserregern benötigt wird, legte dann natürlich nahe, daraus ein Antibiotikum zu entwickeln Tatsächlich zeigen diese Experimente an Mäusen deutlich, dass man Mäuse bei einer Vergiftung mit dem Exotoxin Serum 1 retten kann. Sie sterben nach zwei Tagen und, wenn man ihnen einen speziellen Furininhibitor verabreicht, überleben sie. Dennoch wurde nach diesen ersten Experimenten an Mäusen nichts entwickelt, wahrscheinlich bzw. schlichtweg wegen der toxischen Effekte. Ich habe Ihnen von den Problemen und der Rolle, die das Furin in der menschlichen Physiologie spielt, erzählt. Nun, wie gesagt überspringe ich all diese verschiedenen Regulierungsmechanismen, die wir in den fast 30 Jahren Arbeit entdeckt haben, und springe zum letzten, bei dem es sich um einen nie zuvor beobachteten Regulierungsmechanismus handelte. Es geht um eine große interzelluläre Protease, die Proteasom genannt wird und aus 28 Untereinheiten besteht. Sie hat aktive Zentren in dem zylindrischen Molekül und Substrat kann nicht hereinkommen, da die Zugänge verschlossen sind. Eine Regulierung findet also statt, indem der Zugang geöffnet und geschlossen wird. Die Rolle des Proteasoms ist vielfältig. Natürlich spielt es eine äußerst wichtige Rolle bei der Ubiquitinierung. Es beseitigt auch Abfallprodukte. Es ist grundlegend für die Immunologie, da, falls die Proteine, die es in den Zellen zersetzt, viralen oder fremden Ursprungs sind, dann sind die erzeugten Peptide antigenisch und werden zur Zelloberfläche transportiert, wo sie eine Immunreaktion der T-Zellen auslösen. Das waren die ersten Strukturen, die wir bestimmt haben – zuerst die einfache von Archeabakterien. Sie hat einen konservierten Aufbau, wie Sie an den vier Ringen erkennen können – 7-fache Symmetrie. Aber das Archea-Enzym ist chemisch viel einfacher. Sie haben das von Hans beschriebene Beispiel gesehen, das Archea-Reaktionszentrums verglichen mit Photosystem 2. Gleiches sehen wir hier wieder, wenn wir das Archea-Proteasom mit dem von Hefe, dem einer eukaryotischen Zelle und einem Säugetier-Proteasom vergleichen. Nun, in allen unterscheiden sich die Alphas und die Betas, aber der Aufbau wird beibehalten. Die wichtigste Entdeckung im Hinblick auf die medizinische Anwendung wurde durch einen glücklichen Zufall von einer kleinen amerikanischen Firma gemacht. Sie entdeckten, dass diese einfachen Boronsäure-Peptide eine neue Strategie gegen hämatologische Erkrankungen, multiples Myelom, bieten. Nun, wir fanden es ganz offensichtlich, wie sie wirken. Sie hemmen das Proteasom, indem sie eine Esterbindung zwischen der Boronsäure und dem aktiven Zentrum am N-Terminus von Threonin bilden, das sich, wie ich bereits sagte, im Inneren des Moleküls befindet. Dies befeuerte die Forschung weltweit. Die Leute suchten nach neuen chemischen Substanzen zur Hemmung des Proteasoms. Über viele Jahre kamen Menschen auf uns zu, die neue chemische Substanzen entdeckt hatten und wissen wollten, wie sie sich anbinden. Nun, das ist nur ein kleiner Teil der Geschichte zu dieser Sammlung. Was Sie hier in gelb sehen, waren neue Chemikalien, die in Naturstoff-Sammlungen gefunden wurden. Es ist wirklich überraschend, dass Naturstoff-Sammlungen so reich an Proteasom-Inhibitoren sind. Nun, aus der Entfernung sehen sie alle verschieden aus und sie sind auch verschieden, außer dass sie alle eine bioreaktive Gruppe aufweisen, den sogenannten „warhead“, der chemisch mit dem N-Terminus von Threonin reagiert. Das war das Beispiel, bei dem wir direkt mit einem Pflanzenbiologen zusammenarbeiteten, der entdeckt hatte, dass dieses Pflanzenpathogen, das Bohnenpflanzen tötet, einen Virulenzfaktor mit dieser Formel hier benötigt. Wir haben herausgefunden, dass er das Pflanzenproteasom hemmt, zum programmierten Zelltod führt und die Bohnenpflanze letztlich abtötet. Das war wieder einmal eine neue chemische Substanz, die synthetisiert, modifiziert und weiterentwickelt wurde. Das Problem mit dem Proteasom als Wirkstoffziel ist, dass es, wie gesagt, eine neue Methode zur Behandlung hämatologischer Erkrankungen bietet, aber auch schreckliche Nebenwirkungen zur Folge hat, besonders bei Nervenzellen. Es war bekannt, dass blutbildende Zellen ein etwas anderes Proteasom, genannt Immunoproteasom, haben Wir dachten also, dass, wenn wir spezifisch am Immunoproteasom ansetzen, dies helfen könnte, die toxische Wirkung aufgrund der Hemmung des konstitutiven Proteasoms zu vermeiden, und es sogar neue Möglichkeiten und Strategien gegen Autoimmunkrankheiten eröffnen würde, bei denen man eine Reaktion des Immunsystems reduzieren möchte. Natürlich handelt es sich hierbei bereits um Arbeit, die über das hinaus geht, was eine zu dieser Zeit kleine akademische Gruppe leisten kann – ich war bereits im Ruhestand. Diese Darstellung zeigt das Problem, das Grundproblem der Übertragung akademischer Ergebnisse in die Industrie, die Übertragung, die finanzielle Lücke. Nun, glücklicherweise haben wir die Max-Planck-Gesellschaft, eine Tochtergesellschaft, die gegründet wurde, um Ideen oder Materialien aus den akademischen Max-Planck-Gruppen zu fördern und auf eine Stufe zu bringen, die sie für die Industrie interessant machen. Ich schlug ihnen also das Proteasom und speziell das Immunoproteasom vor und sie akzeptierten. Wir arbeiten noch immer mit diesen beschränkten Ressourcen weiter an den wissenschaftlichen Grundlagen des Immunoproteasoms. Wir haben zum Beispiel durch Hauptkomponentenanalyse gestützt durch molekulardynamische Simulationen herausgefunden, als wir 50 oder mehr dieser verschiedenen Proteasomkomplexe erneut analysiert haben und sie mit den Immunoproteasomkomplexen verglichen, dass das konstitutive Proteasom bei der Peptid-Ligandenbindung eine strukturelle Veränderung vollzieht, die natürlich Energie benötigt. Das Immunoproteasom hingegen bedarf dieser chemischen Veränderung nicht und dies erklärt direkt die höhere Aktivität des Immunoproteasoms. Dadurch wurde natürlich der Blick bei der Suche nach einem spezifischen Immunoproteasom-Inhibitor ausschließlich auf das Peptid-Modell gelenkt. Natürlich kann auch das LDC nicht ohne Partner arbeiten und sie gründeten eine strategische Partnerschaft mit großen Pharmaunternehmen. Und jetzt sieht man bedeutende Fortschritte bei Tierversuchen, bei der rheumatoiden Arthritis, die auch eine Autoimmunerkrankung ist, und bei Lupus erythematodes. Es ist nicht mehr viel Zeit übrig, aber in den letzten paar Minuten würde ich gerne über meine direkte Beteiligung an der Unternehmensgründung sprechen. Das geht zurück auf das Jahr 1999, als ein ehemaliger Doktorand, ein Postdoktorand und ich eine Firma gründeten. Es waren damals nur wenige Leute, nur drei oder vier. Nun ist die Zahl auf etwa 70 Mitarbeiter angewachsen. Die Firma hat ein eigenes Gebäude im Gebiet von München und bietet Dienstleistungen, Dienstleistungen im Bereich der Grundlagentechnologie und Forschung, für große Pharmaunternehmen an. Das sind die Arbeitsabläufe und sie haben auch spezielle Instrumente, nämlich um die kristalline Qualität zu verbessern. Ich meine, das ist bisher noch nicht angesprochen worden, aber die meisten Kristalle, die wir bekommen sind etwas oder schlimm durcheinander gebracht, weisen ein ungeordnetes Beugungsmuster auf. Aber es gibt eine Methode, mit der wir die Kristallqualität verändern können, indem wir sehr kontrolliert die Feuchtigkeit verändern. Und vor kurzem haben wir herausgefunden, dass wir das durch Einsatz eines Infrarot-Lasers vereinfachen können. Dabei schrumpft der Kristall ein wenig, wodurch sich in einer Vielzahl von Fällen die Kristallqualität von einer Auflösung von 3,5 Angström zu einer Auflösung von 1,7 Angström verbessert. Das ist relativ einfach anwendbar. Das ist die Liste der Kunden, die dieses Dienstleistungsunternehmen hat, was eigentlich recht überraschend ist, da alle diese Pharmaunternehmen ihre eigenen Gruppen für strukturelle Biologie haben. Dennoch kommen sie auf Dienstleister wie Proteros zu und kaufen diese Dienstleistungen, da sie in gewisser Weise billiger und vielleicht schneller und besser sind. Es gibt also einen Platz für diese Firmen, selbst im Umfeld der großen Pharmaunternehmen. Der interessanteste Teil – ich habe mit zwei Doktoranden und Postdoktoranden 2003 eine Firma gegründet, die SuppreMol heißt und die an therapeutischen Proteinen für Autoimmunerkrankungen arbeitet. Und der Titel hier besagt, dass die jüngsten Ergebnisse – das war vor 1,5 Jahren – die Investoren sehr glücklich gemacht haben – sie haben Anwälte, Broker, und auch die Gründer aus einem gewissen Grund sehr glücklich gemacht. Die Arbeit geht also zurück auf Arbeit, die wir vor 40 Jahren gemacht haben, nämlich an Antikörperstrukturen. Das ist also der komplette Antikörper mit seinen Fab-Armen, mit denen er die Antigene erkennt. Und das ist der Stamm, sozusagen das arbeitende Ende des Moleküls. Antikörper lösen entweder eine zelluläre Immunreaktion aus, wenn sie sich an ein Antigen binden, oder eine humorale Immunantwort. Wir sind an der zellulären Immunreaktion interessiert. Die Darstellung zeigt Ihnen was geschieht. Hier ist das opsonierte Antigen mit einer großen Zahl angebundener Antikörper. Und dieses opsonierte Antigen reagiert mit Rezeptoren auf Immunzellen und löst entweder eine Reaktion oder Hemmung aus. Dieses System setzt also äußerst eine sorgsame Balance von Aktivierung und Hemmung voraus, weswegen es zwei verschiedene Arten von Rezeptoren gibt, die sich übrigens sehr ähnlich sehen. Nun, wir schauten uns die Strukturen der Rezeptoren und des Fc-Teils an und nachdem wir das gesehen hatten, dachten wir, das könnten wir nutzen. Wir dachten, um die Immunantwort zu modulieren, könnten wir den löslichen Fc-Rezeptor nutzen. Diese Darstellung hier zeigt, wie die Geschäftsidee aussah. Dort ist das opsonisierte Antigen. Der lösliche Rezeptor ist hier, der sich dann an den Stamm-Teil bindet, das arbeitende Ende, und das hier ist natürlich nicht länger in der Lage sich an den zellulären Rezeptor zu binden. Wir hemmen also die Immunreaktion. Das war die Idee. Wir hatten einen anderen Ansatz, nämlich die Verwendung spezieller Antikörper. Ich habe natürlich keine Zeit darüber zu sprechen. Die Gruppe, die SuppreMol-Gruppe, ist schon auf 20 Leute angewachsen und brauchte Investitionen. Am Ende hatten wir Investitionen von etwa 40 Millionen Euro nach diesen 10 Jahren. Die Investoren blieben an Bord. Am Ende begannen sie ungeduldig zu werden, aber ich meine, die vorklinischen Tierstudien und die erste Phase der klinischen Tests waren sehr erfolgversprechend. Sie sehen es auf dieser Kurve, aber dann geschah es glücklicherweise, dass eine große amerikanische Firma SuppreMol für eine große Summe kaufte. Wie gesagt, das machte die Investoren sehr glücklich. Einer der Investoren war sogar die Max-Planck-Gesellschaft. Und es machte die Gründer glücklich, nicht wegen des Geldes, sondern weil das Projekt jetzt unter dem Schirm eines großen Pharmaunternehmens weitergeführt wird. Sogar das Team ist zusammen geblieben. Sie sind sogar auf dem Gelände. Nun, das ist das letzte Dia, das ich Ihnen zeigen möchte, und ich hoffe, ich habe Ihnen besonders mit den beiden letzten Beispielen für Firmenableger gezeigt, dass es ein zufriedenstellendes Leben außerhalb des akademischen Betriebs gibt. Und Sie können auch dort zum Wohle der Menschheit arbeiten. Das ist meine Heimatstadt München, das der alte Teil der Universität. Und hier haben Röntgen, der Professor für experimentelle Physik war, und Laue zu Zeiten von Laues Schlüsselentdeckung gearbeitet. Danke.

Robert Huber (2016)

Protein Structures in Translational Medicine and Business Development, My Experience

Robert Huber (2016)

Protein Structures in Translational Medicine and Business Development, My Experience

Abstract

My lecture will start out with very brief remarks on 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 some of 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 and g) by substrate-induced allosteric changes of the active site associated with oligomerization.The regulatory principles unveiled by structural studies offer new opportunities of intervention for therapeutic purposes as illustrated with the essential intracellular protease, the proteasome.

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 Fcy 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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