TY - THES A1 - Schust, Jochen T1 - Neue Ansätze zur Identifizierung niedermolekularer Inhibitoren der STAT3-Aktivierung und -Homodimerisierung T1 - New approaches to identify small molecule inhibitors of STAT3 activation and dimerization N2 - Die STATs (signal transducers and activators of transcription) sind eine Familie latent zytoplasmatischer Transkriptionsfaktoren, die Signale von der Zellmembran in den Zellkern weiterleiten. Ein Mitglied der Proteinfamilie, STAT3, ist aufgrund übermäßiger Tyrosinkinase-Aktivität in einer breiten Vielzahl von Krebszelllinien und menschlichen Tumoren konstitutiv-aktiv. Um kleine organische Moleküle zu identifizieren, die die Funktion der SH2-Domäne von STAT3 blockieren und dadurch die Aktivität und die Dimerisierung des Proteins inhibieren, wurde ein Hochdurchsatz-Verfahren entwickelt, welches auf Fluoreszenzpolarisation beruht. Das Prinzip dieses Verfahrens war die Bindung eines Fluorescein-markierten Phosphotyrosin-Peptids, welches von gp130, einer Untereinheit des Interleukin-6-Rezeptors, abgeleitet war, an nicht phosphoryliertes STAT3-Protein. Der Kd Wert dieser Bindung betrug 150 nM und der Assay war stabil im Hinblick auf die Salzkonzentration, der Konzentration an Dimethylsulfoxid und der Zeit. Der Assay wurde auf ein 384-Lochplattenformat angepasst und wies einen Z’-Wert von 0,87 auf. Das Fluorscein-markierte Phosphotyrosin-Peptid band spezifisch an die SH2-Domäne von STAT3 und die Bindung konnte durch Phosphotyrosin-Peptide unterschiedlich stark inhibiert werden. Die Hochdurchsatz-Analyse mehrerer Substanzbibliotheken führte schließlich zur Identifikation eines spezifischen STAT3-Inhibitors, Stattic (STAT three inhibitory compound). Stattic ist das erste nicht-peptidische kleine Molekül, welches selektiv die Funktion der STAT3-SH2-Domäne beeinträchtigte. Dabei spielte der Aktivierungszustand von STAT3 in vitro keine Rolle. Die gleichzeitige Inkubation mit Stattic führte im Fluoreszenzpolarisations-Assay zur Inhibition der Bindung des Fluorescein-markierten Phosphotyrosin-Peptids an die SH2-Domäne von STAT3. Diese antagonistische Reaktion stellte sich als stark temperaturabhängig heraus und hatte in vitro bei der physiologisch relevanten Temperatur von 37°C nach 60 Minuten einen IC50 Wert von 5,1 µM. Zusammen mit einer Abhängigkeit von der Zeit wiesen die Ergebnisse auf eine irreversibel ablaufende Reaktion unter Knüpfung einer kovalenten Bindung zwischen Stattic und STAT3 hin. Die Inhibition war spezifisch gegenüber der Bindung verschiedener Fluorescein-markierten Phosphotyrosin-Peptide an die jeweiligen Proteine STAT1, STAT5b und Lck und Stattic hatte ebenfalls nur einen sehr geringen Effekt auf die Proteindimerisierung von c-Myc/Max und Jun/Jun. Die genauere Betrachtung der Kinetik der antagonistischen Reaktion zeigte eine signifikante Verlangsamung der Reaktionsgeschwindigkeit beim Vergleich zwischen STAT3 und STAT1 bzw. STAT3 und STAT5b. Die Inhibierung der Bindung des entsprechenden Fluorescein-markierten Phosphotyrosin-Peptids an das Protein Lck durch Stattic war hingegen nicht zeitabhängig. Diese Versuche zeigten eine deutliche Präferenz der Bindung von Stattic an das Protein STAT3. Die Verdrängung des Fluorescein-markierten Phosphoytrosin-Peptids von der STAT3-SH2-Domäne durch Stattic verlief kompetitiv zur Inhibition mit einem Phophotyrosin-Peptid, welches an die SH2-Domäne von STAT3 bindet. In Verbindung mit den vorherigen Experimenten wies dies auf eine kovalente Bindung von Stattic innerhalb des STAT3-Proteins hin. Eine abschließende Struktur-Wirkungs-Beziehung in vitro zeigte die Notwendigkeit sowohl von der Nitrogruppe als auch von der Doppelbindung der Vinylsulfongruppe in Stattic für die Bindung an STAT3 und untermauerte die These, dass Stattic kovalent innerhalb des STAT3-Proteins bindet. In zellbiologischen Systemen wurde die Wirksamkeit von Stattic anhand verschiedener molekularbiologischer Assays bestätigt. Stattic inhibierte selektiv die Tyrosinphosphorylierung von STAT3 in HepG2 Zellen, in NIH3T3/v-Src Zellen und in den Brustkrebszelllinien MDA-MB-231 und MDA-MB-435S. Aber auch bereits phosphorylierte STAT3-Proteine wurden durch Stattic in vitro an der Homodimerisierung gehindert, was in einer EMSA-Analyse gezeigt wurde. Somit inhibierte Stattic in vitro selektiv die Signalkette von STAT3 unabhängig von dessen Aktivierungszustand. Andere Signalketten oder die Funktion der in der Signalkette über STAT3 liegenden Tyrosinkinasen wurden in Zellen nicht beeinflusst. Im Folgenden konnte demonstriert werden, dass Stattic als direkter STAT3-Inhibitor dessen Lokalisierung in den Zellkern inhibierte, nicht jedoch die Lokalisierung des Gegenspielers STAT1. Weiterhin reduzierte der Einsatz von Stattic selektiv das von v-Src in NIH3T3 Zellen induzierte und von STAT3-abhängige Wachstum von Kolonien in Weichagar. Dass Stattic schließlich selektiv die Apoptoserate in Zellen mit konstitutiver STAT3-Aktivtät erhöhte, bestätigte die bisherigen Daten. Mit Stattic konnte daher ein neues biologisches Werkzeug generiert werden, um selektiv STAT3 in Zelllinien oder Tumoren in Tiermodellen auszuschalten, die eine konstitutive STAT3-Aktivität aufweisen. N2 - Signal Transducers and Activators of Transcription (STATs) are a family of latent cytoplasmic transcription factors which signals from the cell membrane to the nucleus. One member of the protein family, STAT3, is constitutively activated by aberrant upstream tyrosine kinase activities in a broad spectrum of cancer cell lines and human tumors. A high-throughput assay based on fluorescence polarization was developed to identify small organic molecules blocking the function of the STAT3 SH2 domain and thereby inhibiting STAT3 activity and dimerization. The principle of the assay was the binding of a fluorescein-labeled phosphotyrosine-peptide derived from the interleukin-6 receptor subunit gp130 to unphosphorylated STAT3 with a Kd of 150 nM. The assay was stable with regard to salt concentration, dimethyl sulfoxide concentration, and time. It has been adapted to a 384-well format, with a Z’ value of 0.87. The fluorecein-labeled phosphotyrosine-peptide bound specifically to the STAT3 SH2 domain and this binding could be inhibited by different phosphotyrosine-peptides with varying activities. The high-throughput screening of a number of compound libraries finally lead to the identification of a specific STAT3 inhibitor, dubbed Stattic (STAT three inhibitory compound). Stattic is depicted as the first non-peptidic small molecule having an selective impact on the function of the STAT3 SH2 domain. Thereby the activation state of STAT3 was irrelevant in vitro. Simultaneous incubation with Stattic inhibited the binding of the fluorescein-labeled phosphotyrosine-peptide to the SH2 domain of STAT3 in the fluorescence polarization assay. This antagonistic reaction turned out to be strongly temperature-dependent and showed an IC50 of 5.1 µM in vitro at the physiological relevant temperature of 37°C after 60 minutes incubation. With regard to an time-dependency these results suggested an irreversible reaction with the formation of a covalent bond between Stattic and STAT3. The inhibitory reaction was specific over the binding of different fluorescein-labeled phosphotyrosin-peptides to the particular proteins STAT1, STAT5b and Lck, and Stattic also only marginally inhibited the protein dimerization of c-Myc/Max or Jun/Jun. A closer look on the kinetics of the reaction revealed a significant slowdown of the reaction speed comparing STAT3 to STAT1 or STAT3 to STAT5b. Stattic inhibited the binding of the corresponding fluorescein-labeled phosphotyrosine-peptides to Lck in a time-independent way altogether showing a clear preference of Stattic binding to STAT3. The displacement of the fluorescein-labeled phosphotyrosine-peptide from the STAT3 SH2 domain through Stattic was competitive to a phosphotyrosine-peptide binding to the SH2 domain of STAT3. With regard to other results, this result indicated Stattic covalently binding to STAT3. A structure-activity relationship in vitro showed the nitro moiety and the double bond within the vinylsulfone moiety of stattic being important for binding to STAT3. This confirmed the indication that Stattic covalently binds to STAT3 domain. The effectiveness of Stattic in cellular systems was proven by different molecular biological assays. Stattic selectively inhibited the tyrosine phosphorylation in HepG2 cells, in NIH3T3/v-src cells as well as in the breast cancer cell lines MDA-MB-231 and MDA-MB-435S. But also STAT3 proteins which already were phosphorylated could not dimerize after incubation with stattic in vitro which was shown with an EMSA analysis. Therby Stattic also inhibited STAT3 signaling in vitro regardless of STAT3 phosphorylation. Other signalling pathways or function of upstream tyrosinkinases in cells were not inhibited at the same time. It could be demonstrated that the direct STAT3 inhibitor Stattic specifically inhibited nuclear localization of STAT3, but not of its counterpart STAT1. Stattic reduced v-src induced STAT3 dependent colony growth of NIH3T3 cells in soft agar. The results were confirmed by Stattic selectively increasing the apoptotic rate in cell lines having constitutively active STAT3. In summary Stattic turned out to be a novel biological tool to selectively inhibit STAT3 in cell lines or tumor animal models which show constitutive active STAT3. KW - STAT KW - Inhibitor KW - Stattic KW - Chemische Biologie KW - STAT3 KW - niedermolekularer Inhibitor KW - Stattic KW - chemical biology KW - STAT3 KW - small molecule inhibitor Y1 - 2006 UR - https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/opus4-wuerzburg/frontdoor/index/index/docId/1704 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-19952 ER -