AKAPs are a family of approximately 50 anchoring proteins which interact via specific domains with cAMP-dependent protein kinase A (PKA) and other signalling molecules. The interaction of AKAPs with PKA is mediated through a structurally conserved, ampipathic α-helix termed R binding domain (RBD). The first aim of the thesis was to determine the minimal length of the amino acid sequence of the high-affinity peptide AKAP18δL314E required for specific binding to the AKAP-binding site of PKA as a basis for peptidomimetics and therapeutic exploitation. For this purpose, truncated peptides derived from AKAP18δL314E were tested; they retained the ability to bind RII subunits in an in vitro assay. An alternative approach towards competitive disruptors of AKAP-PKA interactions could be the development of drug-like, non-peptidic mimics of RBDs using aromatic oligomers as backbone scaffolds. This concept was recently developed by Hamilton et al. who showed that a chain of certain aromatic or heteroaromatic rings can assemble in a way that allows projection of amino acid residues in a similar geometry as found as in α-helical structures. Based on this work, a highly functionalized quaterpyridine was designed in silico as a potential α-helical mimic of the RBD of AKAP18. The second aim of this thesis was the development of a synthesis for this ligand or derivatives thereof. The synthesis of the derivatives was performed in two steps: First, the functionalized single pyridine building blocks were synthesized. Then, coupling of the single pyridine building blocks by sequential Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions was performed. Several bipyridine and terpyridine derivatives of the target scaffold were successfully synthesized. A microwave-assisted two-step, one-pot borylation /Suzuki-Miyaura coupling protocol was successfully developed for the coupling of bipyridyl bromides with pyridyl chlorides. In an alternative procedure, several terpyridine derivatives were successfully synthesized with a [2+2+2] cycloaddition reaction. This procedure was employed to introduce a dihydrocyclopenta[c]pyridine moiety to a bipyridine building block using Ru(II) catalysis. The characterization of the binding ability of selected terpyridines and bipyridine derivatives to PKA was performed with STD-NMR and HSQC-NMR experiments. Qualitative measurements suggested that two terpyridine derivatives bind to the domain of PKA that contains the AKAP-binding site. The quantification of binding affinity will be the next step for the characterization of the compounds.
AKAPs sind eine Proteinfamilie mit ungefähr 50 Proteinen. AKAPs interagieren mit der cAMP-abhängigen Protein Kinase A (PKA) und anderen Signalmolekülen. Die Interaktion mit PKA findet über eine strukturell konservierte, amphipathische α-Helix statt, die R-bindende Domäne (RBD) genannt wird. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war die Bestimmung der Minimalsequenz des von AKAP18-abgeleiteten Peptids AKAP18δ-L314E, die für eine spezifische Wechselwirkung mit PKA benötigt wird. Diese Minimalsequenz kann z.B. als zukünftige Basis für die Entwicklung von Peptidomimetika dienen. Zu diesem Zweck wurden verkürzte Peptide von dem 25-mer AKAP18δ-L314E abgeleitet; für mehrere dieser Peptide konnte in einem in vitro assay gezeigt werden, dass sie PKA binden. In einem alternativen Ansatz sollte mit der Entwicklung von kompetitiven, wirkstoffartigen Hemmstoffen der AKAP-PKA Wechselwirkung begonnen werden. Dazu wurde ein Konzept verwendet, dass von Hamilton et al. entwickelt worden ist: Es wurde gezeigt, dass bestimmte aromatische oder heteroaromatische Oligomere als Mimetika des Rückgrats von α-helikalen Peptiden verwendet werden können. Basierend darauf wurde ein funktionalisiertes Quaterpyridine als potentielles α-helikales Mimetikum der RBD von AKAP18 in silico entworfen. Die weiteren Ziele dieser Arbeit waren die Synthese von Derivaten der Zielverbindung und die Evaluierung dieser Derivate als Mimetika der AKAP18- RBD. Die Synthese gliedert sich in zwei Teile. Zunächst wurden die vier funktionalisierten Pyridinbausteine dargestellt. Dann erfolgte die Synthese von Bipyridin- und Terpyridinderivaten mittels Suzuki- Miyaura Kreuzkopplung der einzelnen Bausteine. Dazu wurde unter anderem eine Mikrowellen-unterstützte Prozedur für eine Eintopf Borylierung/Suzuki-Miyaura Kopplung von Bipyridylbromiden mit einem Pyridylchlorid entwickelt. In einer alternativen Synthesestrategie wurden mehrere Terpyridinderivate erfolgreich über eine Ru(II)-katalysierte [2+2+2] Cycloadditionsreaktion dargestellt. Die bereits dargestellten Terpyridin- und Bipyridinderivate wurden auf ihre Fähigkeit zur spezifischen, AKAP-artigen Wechselwirkung mit PKA untersucht. Dazu wurden STD-NMR- und HSQC-NMR-Messungen durchgeführt. Zwei der synthetisierten Terpyridinederivate zeigten in qualitativen Messungen eine Bindung zu der PKA-Domäne, die die AKAP-Bindungsstelle enthält. Die Quantifizierung der Bindungsaffinität ist der nächste Schritt zur weiteren Charakterisierung dieser Substanzen.
