Inhibiting protein-membrane interactions: towards new therapeutic strategies

Proteiner er naturens byggesteiner , men også mye mer enn det: de er dedikerte og dyktige arbeidere som hver og en fyller en spesifikk rolle. De er ganske store molekyler som består av tusener av atomer. Når ett eller flere viktige proteiner ikke fungerer som det skal i menneskekroppen, kan det potensielt føre til sykdom. Selv om proteiner er relativt store sammenlignet med mange andre molekyler, er de fremdeles ganske små av størrelse og er vanskelige å observere direkte. Derfor er det ofte praktisk å bygge molekyler ved hjelp av datamaskiner, og simulere oppførselen deres. Disse datamaskinmodellene er basert på grunnleggende fysiske og kjemiske prinsipper, og simuleringene har vist seg nyttige for å lære mer om hvordan, for eksempel, proteiner binder til cellemembraner eller om, og i så fall hvordan, legemidler binder til og endrer egenskapene til proteiner. I dette prosjektet fokuserer vi på en bestemt type proteiner som virker på celleoverflaten. De binder seg til cellemembranen akkurat lenge nok til å utføre sin oppgave der, for så å forlate denne når jobben er gjort. Cellemembraner består i hovedsak av små molekyler kalt fosfolipider som finnes i mange varianter. Fordi at flere av disse fosfolipider bærer er negative, er det ofte tenkt at kun proteiner som er sterkt positivt ladet på en side vil være i stand til å binde seg til cellemembraner. I dette prosjektet har vi så langt studert tre ulike proteiner som har sin funksjon på overflaten av cellemembraner: to (kalt Proteinase 3 og HNE) er involvert i inflammasjonsprosesser i mennesker og én (phosphatidylinositol-spesifikk fosfolipase C) i bakteriell sykdomsutvikling. Vi har beskrevet hvordan disse proteinene binder til cellemembraner, og har særlig satt lys på hvordan de gjenkjenner ulike fosfolipider, egenskaper som forklarer hvordan de er i stand til å befinne seg på riktig sted til riktig tid på cellemembranen. Vi har også vist at aminosyrene tyrosin og fenylalanin, som ofte antas å binde på samme måte til lipider, faktisk kan oppnå svært forskjellige typer vekselvirkninger, og finjustere lipidets spesifisitet for proteiner som binder til utsiden av cellemembranen. Våre resultater viser også at proteiner som ikke har mange positive aminosyrer på overflaten også kan binde til cellemembraner. Våre resultater blir relevante for behandling av sykdommer forårsaket av protein som binder til celleoverflaten enten for mye eller for lite i forhold til det normale.

The goal of the present proposal is to find compounds able to hinder the binding of Proteinase 3 to the neutrophil plasma membrane in vitro. Proteinase 3 is a neutrophil enzyme, present at the surface of the neutrophil plasma membrane and which has been i dentified as a drug target for a number of inflammatory diseases and possibly leukaemia. Together with our collaborators we have studied many salient features of Proteinase 3 for many years and we recently unravelled its membrane binding mechanism using a combination of theoretical and experimental approaches. Most importantly the level of expertise we have acquired helped us build an international and multi-disciplinary, yet tight, collaborative network of excellent groups from a range of different field s using sound approaches and innovative techniques. We are thus in a world-leading position to successfully develop inhibitors of Proteinase 3 membrane binding. We will use a combination of in silico methods (high-throughput in silico screening of compou nd libraries, docking, molecular dynamics simulations) and in vitro approaches (Surface Plasmon Resonnance spectroscopy). Moreover, we will investigate a few other peripheral membrane proteins, involved in other pathologies, compare them PR3 and possibly identify general targeting strategies to modulate membrane binding. These investigations will be conducted using molecular dynamics simulations (MD) and statistical analyses on protein structure databases. Although membrane binding sites of peripheral pro teins are emerging as new promising drug targets, and are of obvious therapeutic interest, few inhibitors of such interactions have been reported yet. Our project is thus particularly timely in the international context and will contribute to the general effort in validating and establishing strategies for targeting of peripheral membrane binding in drug discovery.