Entwicklung und Untersuchung von aktivierten und aktivierbaren Phosphotyrosinmimetika

Abstract

Störungen in dem Prozess der reversiblen Phosphorylierung von Biopolymeren stehen im Zusammenhang mit Erkrankungen, die in der modernen Gesellschaft eine große Bedrohung darstellen. So wird die Entwicklung und der Verlauf von Krebserkrankungen, Diabetes und Adipositas nachweislich über eine Fehlregulation der Phosphorylierung mitbestimmt. Demnach stellt die selektive Adressierung jener Proteine, die an der Fehlregulation beteiligt sind und / oder diese einleiten, einen wichtigen Bereich der aktuellen Forschung dar.Der Gegenstand dieser Arbeit war die Entwicklung und Untersuchung von Verbindungen, die gegenüber dem natürlichen Erkennungsmotiv Phosphotyrosin ein chemisch reaktives Isoster darstellen. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Substanzklasse der Benzoylphosphonsäuren als photoaktivierbare Phosphotyrosinmimetika. Diese wurden auf ihre photochemischen Eigenschaften hin untersucht und verschiedene Derivate dargestellt. Mit der Synthese und Verwendung einer fluoreszenzmarkierten Benzoylphosphonsäure konnte die bestrahlungsinduzierte kovalente Vernetzung mit der Proteintyrosinphosphatase PTP1B erreicht werden. Durch den Einbau der photoreaktiven Gruppe in Peptide wurden Peptidomimetika erhalten, die eine drastisch erhöhte Affinität aufwiesen. Vernetzungsexperimente gegenüber PTP1B zeigten, dass die Bestrahlung der photoreaktiven Peptide eine oxidative Desaktivierung der Phosphatase bewirkt. Ferner wurden hochaffine Liganden für den Transkriptionsfaktor STAT5B dargestellt, die in früheren Arbeiten als selektive kovalent vernetzende Substanzen identifiziert werden konnten. Folgend wurde Anwendbarkeit des Systems der Benzoylphosphonsäuren innerhalb von Zelllysaten untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Substanzklasse der monofluorierten Phosphonsäuren als neue pTyr-Mimetika untersucht und erstmals gegenüber der Proteintyrosinphosphatase PTP1B getestet. Mit den fluorierten Phosphonsäuren liegt eine Substanzklasse vor, die nur wenig beschrieben ist, sodass diese zunächst auf seine chemischen Eigenschaften hin untersucht wurde. In Analogie zu den bekannten chemisch reaktiven fluorierten Phosphonaten wurde dem neuen Mimetikum ein hohes Potential in aktivitätsbasierten Proteinvernetzungsreaktionen zugeschrieben. Folgende Untersuchungen zeigten, dass die Monofluorphosphonsäuren gegenüber PTP1B als stabile Inhibitoren agieren. Im Zuge der näheren Betrachtung des Verhaltens der fluorierten Phosphonsäuren wies eine andere Substanzklasse kovalent bindende Eigenschaften auf. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde die Klasse der Phosphonsäuren untersucht, die unter bestimmten Bedingungen eine kovalente Markierung von PTP1B bewirkten. Diese ist abhängig von dem Vorliegen der oxidierten Proteinspezies. Innerhalb von Selektivitätsuntersuchungen konnte eine kovalente Reaktion gegenüber anderen pTyr-erkennenden Proteinen beobachtet werden. Im Zuge dessen wurde die Hypothese einer Reaktion der Phosphonsäuren gegenüber der oxidierten Form von Cystein, der Sulfensäure, aufgestellt.

The reversible phosphorylation constitutes one of the most important molecular switches of cellular activity. With its predominantly participation in signal transduction, dysregulation of this process leads to numerous diseases like diabetes, cancer and obesity. The subject of this work was the development of chemically reactive isosters of the natural recognition site, phosphotyrosine. The first part of this thesis covers the class of benzoylphosphonic acids, which we recently identified as the first photoreactive phosphotyrosine mimetic. The photochemical properties of this compound class were further investigated and numerous photoreactive inhibitors were synthesized. The covalent photo-induced modification of the protein tyrosine phosphatase PTP1B was accomplished through the irradiation of a fluorescently labelled benzoylphosphonic acid. The incorporation of the photoreactive moiety into substrate analogues furnished peptidomimetics with a drastic increase of affinity. Irradiation of these compounds in the presence of PTP1B led to an oxidative deactivation of the phosphatase. Synthesized ligands of the transcription factor STAT5B were previously identified as highly selective and covalent reactive probes. In this work, the applicability of the photoreactive peptides in cell lysate was investigated. The second part covers the synthesis and evaluation of a new class of phosphotyrosine mimetics, the monofluorinated phosphonic acids. The analysis of the chemical stability was followed by the investigation of its biochemical behavior against PTP1B, which is, to our knowledge, the first application of these substances relating protein tyrosine phosphatases. Since monofluorinated phosphonic esters are highly reactive and biochemically active compounds, a comparable reactivity was postulated. Subsequent experiments identified the monofluorinated phosphonic acids as hydrolytically and biochemically stable compounds. In the course of these investigations, an other class of compounds led to a covalent modification of the protein. In the third part of this work, the covalent reactivity of phosphonic acids was investigated. Labelled phosphonic acids covalently modified PTP1B, depending on oxidative conditions. During selectivity experiments a covalent reaction with other proteins was observed. Hence, the reaction with the oxidized form of cystein, the sulfenic acid, was hypothesized.