Modulation of Survivin's cancer-promoting functions with supramolecular ligands

Survivin is highly upregulated in most cancers and has been associated with a resistance against chemo- and radiotherapy and a poor clinical outcome. The protein is considered to be a key player of carcinogenesis due to its anti-apoptotic function and its role in cell proliferation. As it is mainly expressed during embryonic development but mostly absent in terminally differentiated adult tissues, it might be one of the most cancer-specific proteins identified so far. Survivin possesses no enzymatic activity, which makes it challenging to address the protein as a drug target. Various strategies so far have included antisense oligonucleotides, siRNAs, small molecule inhibitors, gene therapy and immunotherapy but none of these approaches has yet reached the clinic.

 

This thesis aimed to explore a novel approaches by targeting protein-protein interactions of Survivin and its functionally relevant binding partners. Supramolecular ligands based on the guanidiniocarbonyl pyrrole cation served as highly specific anion binders in order to target respective anionic hot spots on the surface of the protein.

 

Ligand MM138 was designed to interfere with the interaction between Survivin and Histone H3, which is essential for Survivin to fulfil its role in cell proliferation. The binding of MM138 to Survivin’s Histone H3 binding site could be verified by NMR analyses. In addition, the establishment of several microscopic and cellular assays allowed it to be demonstrated that the supramolecular ligand is able to inhibit Survivin-Histone H3 interaction inside the cell and thereby reduce cancer cell proliferation.

 

Ligand DA162 aimed to target the interaction between Survivin and its export receptor Crm1, which is not only relevant for Survivin’s Crm1-mediated nuclear export into the cytoplasm where it acts as an inhibitor of apoptosis, but also for its role within the chromosomal passenger complex during mitosis. It could be shown that DA162 binds to Survivin with a low micromolar KD and is able to inhibit the interaction between Survivin and Crm1 inside the cell. This leads to an inhibition of Survivin’s nuclear export, a decrease in cell proliferation and an increase of caspase-mediated apoptosis in cancer cells. Targeting Survivin’s anionic hot spots with supramolecular guanidiniocarbonyl pyrrole ligands therefore seems to be a promising approach for the development of new cancer therapies.

Survivin ist in den meisten Krebsarten hochreguliert und wurde mit einer Resistenz gegenüber Chemo- und Bestrahlungstherapien sowie einem schlechteren Krankheitsverlauf in Verbindung gebracht. Dem Protein wird aufgrund seiner antiapoptotischen Eigenschaften und seiner Funktion in der Zellproliferation eine Schlüsselrolle bei der Karzinogenese zugesprochen. Da Survivin hauptsächlich während der Embryonalentwicklung exprimiert wird, jedoch kaum in ausdifferenzierten adulten Geweben, gilt es als eines der krebsspezifischsten Proteine, die bisher bekannt sind. Survivin besitzt keine enzymatische Aktivität und stellt daher ein schwierig anzugreifendes Wirkstoffziel dar. Bisherige Strategien zur Inhibition des Proteins basieren auf AntisenseOligonukleotiden, siRNAs, small molecule-Inhibitoren, Gen- und Immuntherapien. Allerdings findet bislang keiner dieser Ansätze klinische Anwendung.

 

In dieser Arbeit sollten als neuer Ansatz Protein-Protein-Interaktionen zwischen Survivin und funktionell relevanten Bindungspartnern inhibiert werden. Supramolekulare Liganden auf der Basis des Guanidiniocarbonyl-Pyrrol Kations dienten hierbei als hochspezifische Anionen-Binder, um entsprechende anionische hot spots auf der Oberfläche des Proteins anzugreifen.

 

Der Ligand MM138 wurde entwickelt, um die Interaktion zwischen Survivin und Histon H3, und damit Survivins Rolle in der Zellproliferation, zu inhibieren. Die Bindung von MM138 an die Histon-H3-Bindungsstelle von Survivin konnte mittels NMR bestätigt werden. Darüber hinaus konnte durch die Etablierung verschiedener mikroskopischer und zellbasierter Assays gezeigt werden, dass der supramolekulare Ligand die Interaktion zwischen Survivin und Histon H3 im Zellinneren hemmt und so die Proliferation von Krebszellen vermindert. Der Ligand DA162 hingegen soll die Bindung von Survivin an seinen Exportrezeptor Crm1 verhindern. Diese ist nicht nur für den Crm1-vermittelten Kernexport von Survivin in das Zytoplasma relevant, wo das Protein als Apoptose-Inhibitor fungiert, sondern auch für seine Rolle im Chromosomal Passenger Complex in der Mitose. Es konnte gezeigt werden, dass DA162 mit einem niedrigen mikromolaren KD an Survivin bindet und die Interaktion zwischen Survivin und Crm1 innerhalb der Zelle hemmt. Dies führt zu einer Inhibition des Kernexports von Survivin sowie einer Verminderung der Zellproliferation und Erhöhung der Caspase-vermittelten Apoptose in Krebszellen.

 

Die Strategie anionische hot spots als Angriffspunkt für supramolekulare Guanidiniocarbonyl-Pyrrol Liganden zu nutzen scheint daher ein vielversprechender Ansatz für die Entwicklung neuer Krebstherapien zu sein.

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