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Proteomics-based discovery platforms to unravel modes of action of metal-based drug candidates
Lukas Skos
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Chemie
Betreuer*innen
Christopher Gerner ,
Samuel Meier-Menches
DOI
10.25365/thesis.81954
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-15830.82932.489983-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das zufällig entdeckte Chemotherapeutikum Cisplatin ist zu einem unersetzlichen Teil unseres Behandlungsrepertoires gegen Krebserkrankungen geworden. Angetrieben durch dessen klinischen Erfolg und den anhaltenden Bedarf an neuen Medikamenten, rückten zunehmend auch andere metallorganische Verbindungen in den Fokus der medizinisch-chemischen Forschung. Ihre strukturelle Vielfalt, beruhend auf deren Metall- und Liganden-Systemen, verspricht die Entwicklung von maßgeschneiderten Molekülen für spezifische Anwendungen in der Krebsbehandlung. Nachdem das Paradigma der DNS-Bindung überwunden wurde, zeigte sich, dass diese Substanzklasse in der Lage ist, Proteine als Ziel zu erkennen. Chemoproteomische Techniken haben sich bei der Identifizierung direkter Interaktionspartner als wirksam erwiesen und ermöglichen, in Kombination mit Proteom-Profilanalysen, die unvoreingenommene Hypothesen-Generierung potenzieller Wirkmechanismen der Testsubstanzen. Ziel dieser Dissertation ist es, eine proteomische Plattform auf Grundlage von Proteomprofilierung und Chemoproteomik zu entwickeln, um metallbasierte Wirkstoffkandidaten zu untersuchen, die in phänotypischen Wirkstoffforschungsmodellen identifiziert wurden, und deren zugrundeliegenden Wirkmechanismus aufzuklären. Hierzu wurde in der ersten Studie eine dosis-abhängige chemoproteomische Technik entwickelt, die auf einer neuartigen Immobilisierungsstrategie basiert, um einen C^N zyklometallierten Gold(III)-Komplex in Kolorektalkrebszellen zu erforschen. Mittels Affinitäts-Pulldown- Experimenten, Analysen des Proteomprofils und weiteren Validierungsexperimenten konnte gezeigt werden, dass der Au-Komplex über einen zweistufigen Mechanismus reagiert, der zur selektiven TXNRD1-Inhibition führt. Parallel dazu wurden weitere Selenoproteine herunterreguliert, und der NRF2-Keap1 Signalweg ohne begleitende ROS-Bildung induziert, der sich als wichtig für das Überleben der Krebszellen erwies. Die zweite Studie untersuchte den Wirkmechanismus eines hoch-zytotoxischen N,O,O-tridentaten Ruthenium(Aren)- Komplexes auf Basis eines Naphtochinon-Liganden sowie dreier Analoga, die sich in Ligandenstruktur und Metallzentrum (Ru, Os) unterscheiden. Diese Komplexe verhielten sich über einen längeren Zeitraum kinetisch inert, behielten jedoch ihre Reaktivität bei und banden bevorzugt an Aminosäuren statt Nukleotiden. Es erwies sich, dass Löslichkeit, antiproliferative Aktivität und Interaktionsverhalten mit Proteinen stärker vom Liganden als vom Metallzentrum bestimmt wurden. Diese Studie verdeutlicht somit, wie strukturelle Variationen die Effekte auf Proteinebene in Struktur-Wirkungs-Beziehungen beeinflussen. Die beiden 3- Ethylnaphthochinon-Derivate wirkten sich hauptsächlich auf das TP53-Signalnetzwerk aus, wobei die Ruthenium-Hauptverbindung die TP53-DDX3X-p21 Achse vermutlich über eine direkte DDX3X-Wechselwirkung stark störte und dadurch die p21-Expression minimierte. Diese direkte Wechselwirkung wurde durch eine neuartige chemoproteomische Technik auf der Grundlage einer Limitierten Proteolyse nachgewiesen. Die Ruthenium-Leitverbindung zeigte zudem in einem Mausmodell die stärkste krebshemmende Wirkung, indem sie die CT26- Tumorgröße signifikant reduzierte und EGFR im Tumorgewebe als direkten Behandlungseffekt herunterregulierte. Dies bestätigte die in vitro Ergebnisse bezüglich der TP53-DDX3X-p21 Achse, von der gezeigt wurde, dass sie die EGFR-Level modulieren kann. Insgesamt wurde im Rahmen der hier vorgestellten Projekte eine proteomische Forschungsplattform geschaffen, die von speziellen Zellkultur-Workflows begleitet wird und zur Untersuchung neuidentifizierter, metallbasierter Wirkstoffkandidaten genutzt werden kann. Diese duale proteomische Plattform ermöglicht es, deren Interaktionspartner zu identifizieren und mögliche Wirkmechanismen aufzudecken. Die gewonnenen Erkenntnisse können für die Weiterentwicklung der Wirkstoffe herangezogen werden und so die Identifizierung potenzieller metallbasierter, klinischer Kandidaten erleichtern.
Abstract
(Englisch)
The serendipitously discovered chemotherapeutic agent cisplatin has become an indispensable part of our cancer treatment arsenal. Driven by its clinical success and the ongoing need for new medication, other metal-based compounds have increasingly become the focus of medicinal chemical research. Their structural diversity, based on their metal and ligand systems, promises the development of tailor-made molecules for specific anticancer applications. After overcoming the DNA-targeting paradigm, this compound class was shown capable of targeting proteins. Chemoproteomic techniques have proven effective for identifying direct interaction partners and, when combined with proteome profiling analyses, enable the unbiased generation of hypotheses regarding the potential mechanism of action (MoA) of the tested substance. The aim of this dissertation is to develop a proteomic platform based on proteome profiling and chemoproteomics to investigate metal-based candidate drugs identified in phenotypic drug discovery models and to elucidate their underlying MoA. To this end, a dose-dependent chemoproteomic technique was developed in the first study based on a novel immobilization strategy to investigate a C^N cyclometallated gold(III) complex in colorectal cancer cells. Using affinity pulldown experiments, proteome profiling analyses, and further validation experiments, it was demonstrated that the Au-complex reacts via a two-step mechanism, leading to selective inhibition of TXNRD1. In parallel, other selenoproteins were downregulated and without concomitant ROS formation the Nrf2-Keap1 pathway was induced, which was found to be important for cancer cell survival. The second study investigated the MoA of a highly cytotoxic N,O,O-tridentate ruthenium(arene) complex based on a naphthoquinone ligand, and three analogues differing in ligand structure and metal center (Ru, Os). These complexes were kinetically inert over an extended time period but retained their reactivity, and preferred binding to amino acids rather than nucleotides. The solubility, antiproliferative activity, and protein interaction behavior were shown to be determined more strongly by the ligand compared to the metal center. This study then highlighted how structural variations influenced protein-level effects in structure-activity relationships. The two 3-ethyl naphthoquinone derivatives primarily influenced the TP53 signaling network, with the ruthenium lead compound strongly disrupting the TP53-DDX3X-p21 axis presumably via direct DDX3X interaction, thereby reducing p21 expression. The direct interaction was proven by a novel chemoproteomic technique based on Limited Proteolysis. The ruthenium lead compound also exhibited the strongest anticancer effect in a mouse model, significantly reducing CT26 tumor size and downregulating EGFR in tumor tissue as direct treatment effect, confirming the in vitro findings regarding the TP53- DDX3X-p21 axis, which has been shown to modulate EGFR levels. Overall, the projects presented here established a proteomic discovery platform, accompanied by dedicated cell culture workflows, that can be used to investigate newly identified metal-based drug candidates. This dual proteomic platform allows to identify their interaction partners and uncover their potential MoA. The information obtained can be used for compound maturation to facilitate the identification of potential metal-based clinical candidates.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Chemoproteomik Wirkmechanismusaufklärung Metalle in der Medizin Entwicklung kovalenter Wirkstoffe Identifizierung von Zielmolekülen
Schlagwörter
(Englisch)
Chemoproteomics Mode-of-action deconvolution Metals in medicine Covalent drug discovery Target identification
Autor*innen
Lukas Skos 
Haupttitel (Englisch)
Proteomics-based discovery platforms to unravel modes of action of metal-based drug candidates
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
X, 193 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Christian Klampfl ,
Mathea Sophia Galanski
Klassifikation
35 Chemie > 35.26 Massenspektrometrie
AC Nummer
AC18028627
Utheses ID
82012
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |