Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Transcriptie

1 Cover Page The handle holds various files of this Leiden University dissertation. Author: Willems, Lianne Irene Title: Direct and two-step activity-based profiling of proteases and glycosidases Issue Date:

2 Chemisch biologisch onderzoek richt zich op het toepassen van chemische benaderingen voor het bestuderen en controleren van biologische processen. Principes en kennis uit de organische chemie worden gebruikt om bepaalde biomoleculen te manipuleren in een biologisch systeem. Op die manier kan inzicht worden verkregen in de processen waarbij de betreffende moleculen betrokken zijn. Dit proefschrift beschrijft de ontwikkeling van nieuwe chemische verbindingen en methodes voor activity-based protein profiling (ABPP), een vakgebied binnen de chemische biologie met als doel de activiteit van enzymen zichtbaar te maken en te kwantificeren in de context van een complex biologisch systeem. Om dit doel te bereiken wordt er gebruik gemaakt van verbindingen die covalent en irreversibel binden aan het actieve centrum van een specifiek enzym of een klasse van enzymen, op een dusdanige manier dat alleen de actieve enzympopulatie wordt gelabeld. Deze zogenoemde activitybased probes (ABPs) worden onderverdeeld in twee typen afhankelijk van de identiteit van de detecteerbare groep waarmee ze zijn uitgerust. Directe ABPs bevatten een label, zoals een fluorescent label of biotine, waarmee de target enzymen direct gevisualiseerd, geïsoleerd, gekwantificeerd en/of geïdentificeerd kunnen worden. Tweestaps ABPs zijn uitgerust met een kleine reactieve groep die kan worden gebruikt om het label in een later stadium te introduceren, nadat de ABP aan zijn target enzym is gebonden. Om de labeling te realiseren wordt er gebruik gemaakt van bioorthogonale ligatiereacties. Bioorthogonale chemie kenmerkt zich door een hoge mate van selectiviteit, een hoge efficiëntie en vooral ook door de afwezigheid van enige interacties met het biologische systeem waarin de reactie wordt uitgevoerd. Hoofdstuk 1 beschrijft de principes van ABPP en het ontwerp van ABPs. In Hoofdstuk 2 wordt een overzicht gegeven van de verscheidene bioorthogonale ligatiereacties die tot nu toe in de literatuur zijn beschreven, met de nadruk op het gebruik van deze methodes voor de tweestaps labeling van enzymactiviteit. Voorafgaand aan het werk beschreven in dit proefschrift berustten alle gerapporteerde tweestaps ABPP methodes op het gebruik van een azide of een alkyn als reactieve groep in een ABP. Labeling 157

3 van enzymactiviteit werd gerealiseerd via Staudinger-Bertozzi ligatie, de reactie tussen een azide en een phosphine, of via azide-alkyn cycloadditie ( click reactie), die ofwel gekatalyseerd wordt door koper(i) of wordt gedreven door de ring-spanning in een cyclooctyn. In Hoofdstuk 3 wordt een nieuwe tweestaps ABPP methode beschreven die is gebaseerd op de Diels-Alder cycloadditie. De Diels-Alder strategie maakt gebruik van ABPs die zijn uitgerust met een geconjugeerd dieen en een maleimide reagens als de dienofiel waaraan een fluorescent Bodipy label is gekoppeld. Deze strategie werd succesvol toegepast voor de labeling van de endogene activiteit van het 20S proteasoom en van cathepsines, een klasse van cysteine proteases, in celextracten. Daarnaast werd aangetoond dat de ontwikkelde ligatiemethode gecombineerd kan worden met de Staudinger-Bertozzi ligatie voor de labeling van twee verschillende enzymactiviteiten in hetzelfde experiment. De Diels-Alder ABPP strategie vormt een bruikbaar alternatief voor bestaande methodes die gebaseerd zijn op Staudinger-Bertozzi ligatie en click chemie. Desondanks wordt de bredere toepasbaarheid ervan gelimiteerd door de noodzaak om cysteine residuen te beschermen vóór toevoeging van de dienofiel, waardoor in situ en in vivo toepassingen niet mogelijk zijn. Een ander nadeel van deze methode is de aanzienlijke hoeveelheid achtergrond labeling, waardoor de detectie van eiwitten met lage endogene activiteit wordt bemoeilijkt. Hoofdstuk 4 beschrijft de ontwikkeling van een alternatieve ABPP strategie die is gebaseerd op de inverse-electron-demand Diels-Alder reactie. Het gebruik van tetrazine als een dieen en norborneen als een dienofiel, welke beide niet met cysteine residuen reageren, resulteert in een ligatiereactie met sterk verbeterde selectiviteit en verhoogde snelheid. Een norborneen-gemodificeerde proteasoom ABP werd gebruikt om endogene proteasoom activiteit efficiënt en selectief te labelen in celextracten en in levende cellen via reactie met Bodipy- en biotine-gelabelde tetrazines. Bovendien werd er een drievoudige bioorthogonale ligatiestrategie ontwikkeld waarbij de tetrazine ligatie werd gecombineerd met de Staudinger-Bertozzi ligatie en de koper(i)-gekatalyseerde click reactie voor de simultane labeling van drie verschillende enzymactiviteiten met verschillende labels in een enkel experiment. Ondanks het feit dat tetrazines niet stabiel zijn onder de condities voor koper(i)-gekatalyseerde click chemie, maakt een simpele wasstap tussen de twee ligatiereacties het mogelijk beide ligaties opeenvolgend uit te voeren in hetzelfde experiment. Dit onderzoek creëert de mogelijkheid drie verschillende biomoleculen tegelijkertijd te bestuderen via bioorthogonale labeling in een complex biologisch systeem. 158

4 Het tweede deel van dit proefschrift beschrijft de synthese en biologische evaluatie van nieuwe glycosidase ABPs. Glycosidases zijn enzymen die verantwoordelijk zijn voor de hydrolyse van glycosidische bindingen in (oligo)sacchariden en glycoconjugaten en zijn cruciaal voor de afbraak van glyco(sphingo)lipiden in lysosomen. Een deficiëntie in één van de lysosomale glycosidases kan ophoping van de corresponderende substraten in lysosomen veroorzaken, wat op zijn beurt kan leiden tot een lysosomale stapelingsziekte. Ondanks de vergelijkbare defecten die ten grondslag liggen aan de verschillende lysosomale stapelingsziekten, zijn deze opvallend heterogeen wat betreft loop van de ziekte, phenotypes en klinische manifestatie. ABPP kan een nuttige techniek zijn om de verschillende glycosidases en hun rol in de verscheidene ziektes te bestuderen. Tot op heden is er slechts een beperkt aantal glycosidase ABPs ontwikkeld, waarschijnlijk vanwege de nauwe substraatspecificiteit en de afwezigheid van covalente interacties met het substraat in het katalytische mechanisme van vele van deze enzymen. Niettemin vormen de meeste glycosidases met een retaining mechanisme wel een covalent enzym-substraat intermediair en zijn daarom geschikte kandidaten voor ABPP studies, waarbij ABPs ontworpen kunnen worden die covalent reageren met het katalytisch actieve nucleofiel van één (of meerdere) van deze enzymen. Hoofdstuk 5 beschrijft het ontwerp en de synthese van irreversibele remmers en ABPs voor twee klassen van glycosidases, de retaining α- en β-galactosidases. De galactopyranosegeconfigureerde probes bevatten een electrofiele epoxide of aziridine groep die op een dusdanige manier is gepositioneerd (in een α- of β-configuratie) dat deze aangevallen kan worden door de katalytisch actieve nucleofiel van respectievelijk α- en β-galactosidases. Voor beide enzymen werden vier epoxide probes gesynthetiseerd, waaronder één nietgelabelde remmer en drie ABPs waarin de hydroxyl group op C6 (koolhydraat nummering) is gesubstitueerd met een Bodipy label, biotine of een azide voor tweestaps labeling. Daarnaast werden er twee α-galactosidase aziridine probes gesynthetiseerd waarin een azide of Bodipy label werd geïntroduceerd via acylering van de aziridine amine. Pogingen om ook β-galactosidase aziridine probes te isoleren waren tot dusver niet succesvol, aangezien zelfs het gebruik van volledig zuurvrije procedures voor zuivering en vriesdrogen van deze verbindingen resulteerde in opening van de geacyleerde aziridine. In Hoofdstuk 6 wordt de remming en labeling van humane retaining α-galactosidases door de α-galactopyranose-geconfigureerde probes beschreven. De aziridine ABPs bleken zeer potente remmers te zijn van α-galactosidase A (αgal A), het humane lysosomale enzym dat deficiënt is in patiënten met de ziekte van Fabry, een lysosomale stapelingsziekte. Verder werd aangetoond dat deze probes geen reactiviteit vertonen tegen een retaining β- 159

5 galactosidase, galactocerebrosidase, en een retaining β-glucosidase, glucocerebrosidase. De niet-gelabelde epoxide remmer was een factor minder potent op αgal A dan de aziridine probes. Daarentegen vertoonde geen van de C6-gelabelde epoxide ABPs enige remming van dit enzym, wat aantoont dat de primaire hydroxyl groep op C6 essentieel is voor binding van de probes. De fluorescent gelabelde aziridine kan gebruikt worden om de endogene activiteit van αgal A te labelen in celextracten van wild-type fibroblasten. Naast αgal A labelt de ABP ook de activiteit van N-acetyl-galactosaminidase (αgal B), het tweede humane enzym in de familie van retaining α-galactosidases. In fibroblast celextracten die afkomstig zijn van klassieke Fabry patiënten is overeenkomstig het gebrek aan αgal A activiteit uitsluitend labeling van αgal B zichtbaar. Een mogelijk zeer waardevolle toepassing van de Bodipy-gelabelde probe is het labelen en vergelijken van de retaining α-galactosidase activiteit in celextracten van Fabry patiënten met verschillende mutaties in αgal A en/of phenotypische varianten van de ziekte. In Hoofdstuk 7 worden de β-galactopyranose-geconfigureerde epoxide probes geëvalueerd met betrekking tot remming en labeling van het humane enzym galactocerebrosidase. Deficiëntie van deze lysosomale β-galactosidase leidt eveneens tot een lysosomale stapelingsziekte, de ziekte van Krabbe. De meest potente remmer van galactocerebrosidase was de niet-gelabelde epoxide, terwijl substitutie van de hydroxyl groep op C6 met een azide resulteerde in een factor lagere potentie. Daarentegen bleek de introductie van een Bodipy label, en in mindere mate biotine, op dezelfde positie de potentie weer gedeeltelijk te herstellen. Zowel de Bodipy- als de biotine-gelabelde probes werden toegepast om katalytisch actief galactocerebrosidase te visualiseren op gel. Verder werd aangetoond dat de probes selectief zijn voor dit enzym ten opzichte van retaining α-galactosidases en β-glucosidases. Eerdere publicaties hebben laten zien dat deze laatste klasse van enzymen selectief kan worden gelabeld met ABPs die slechts verschillen van de β-galactosidase probes in de configuratie van een enkele hydroxyl substituent. Het onderzoek beschreven in hoofdstukken 6 en 7 laat zien dat het mogelijk moet zijn verschillende klassen van retaining glycosidases te labelen door ABPs te ontwikkelen die dusdanig gemodificeerd zijn dat de configuratie overeenkomt met het natuurlijke substraat van de target enzymen. Bovendien vormen de beschreven α- en β-galactosidase remmers en ABPs nuttige middelen voor het bestuderen van de betreffende enzymen en hun betrokkenheid bij de corresponderende lysosomale stapelingsziekten. 160

6 In Hoofdstuk 8 wordt een overzicht gegeven van het onderzoek dat in dit proefschrift is beschreven. Daarnaast worden verdere toepassingen van de ontwikkelde probes en methodes besproken en worden voorstellen gedaan voor nieuwe glycosidase ABPs die andere eigenschappen hebben (stabiliteit, reactiviteit) en/of gericht zijn tegen andere enzymklassen. Ook worden twee lopende projecten geïntroduceerd, waarvan de eerste betrekking heeft op tweestaps labeling van enzymactiviteit met behulp van de tetrazine ligatie. Een biotine-gelabeld tetrazine reagens waarin een splitsbare linker is opgenomen kan gebruikt worden om gelabelde eiwitten te isoleren met behulp van geïmmobiliseerd streptavidine en vervolgens selectief af te splitsen onder milde condities om zo een zuiver preparaat te verkrijgen. Het tweede project beschrijft het ontwerp en de (gedeeltelijke) synthese van probes voor 2-oxoglutaraat-afhankelijke oxygenases. Omdat deze klasse van enzymen geen covalent enzym-substraat intermediair vormt, is er gekozen voor het gebruik van affiniteit-gebaseerde probes in plaats van ABPs. De probes zijn gebaseerd op de structuur van 2-oxoglutaraat en bevatten een norborneen groep voor labeling via tetrazine ligatie en een fotoreactieve groep, waarmee door middel van fotochemie irreversibele binding aan target enzymen gerealiseerd kan worden. De focus binnen het vakgebied van ABPP verschuift in steeds hogere mate richting het labelen van enzymklassen met andere en soms slechts deels opgehelderde katalytische mechanismes, nauwe substraatspecificiteit en/of lage expressie niveaus. Daarom worden voortdurend inspanningen gewijd aan het ontwikkelen van nieuwe benaderingen die het mogelijk maken de activiteit van deze enzymen zichtbaar te maken en/of te kwantificeren. Het onderzoek beschreven in dit proefschrift biedt een aantal nieuwe strategieën die aanzet geven tot verdere onderzoekslijnen, zowel voor het labelen van de activiteit van nieuwe enzymklassen als ook voor de bioorthogonale labeling van enzymactiviteit en andere biomoleculen. 161

7