Stimulation and inhibition of protein-protein interactions to modulate autophagic pathways

Abstract

Neurodegenerative diseases are a group of disorders which manifest mainly at higher age and can affect the peripheral nervous system as well as the central nervous system. Hallmark of many neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease, Huntington’s disease and Parkinson disease is the presence of disease-specific misfolded and aggregated proteins. Accumulation of aggregation prone proteins such as α-synuclein in Parkinson’s disease or Tau in Alzheimer’s disease are indicative of an insufficient degradation of these proteins. As so far, all currently approved treatment approaches for neurodegenerative diseases merely alleviate disease-associated symptoms without reversing or slowing down disease progression, there is tremendous need for the development of novel treatment approaches. As autophagy is a highly conserved catabolic mechanism, essential for maintaining cell homeostasis, it represents a promising target for therapeutic interventions aiming for the removal of pathogenic protein aggregates. In the scope of this thesis, a BRET based cellular assay has been developed to quantitatively analyse autophagy related protein-protein interactions. By running a focused screen of autophagy related protein-protein interactions, several promising interactions for pharmacological intervention have been identified. The interaction between BECN1 and BCL-2 is a valid target for the induction of autophagy. Furthermore, the interaction between SXT17 and VAMP8 has been identified as a novel indicator for monitoring autophagic activity. Additionally, this work describes the development of autophagy targeting chimera (ATAC), a novel approach for targeted degradation of pathological protein aggregates utilizing the autophagy machinery. Here, we found that ATACs mediate the degradation of protein aggregates such as Tau and HTT aggregates in an autophagy dependent manner. The results of this work provide new starting points for further drug development by harnessing autophagy for the removal of disease relevant protein aggregates.

Neurodegenerative Erkrankungen ist ein Sammelbegriff für Erkrankungen des peripheren sowie zentralen Nervensystems, welche sich im fortschreitenden Alter manifestieren. Eine Gemeinsamkeit vieler neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer, Huntington oder Parkinson sind intrazelluläre Proteinaggregate bestehend aus fehlgefalteten Proteinen. Die Anhäufung von aggregationsanfälligen Proteinen wie α-Synuclein oder Tau deuten auf einen unzureichenden Abbau dieser Proteine hin. Da die derzeit angewandten Behandlungsoptionen für neurodegenerativen Erkrankungen lediglich die Symptome ohne jedoch deren Ursache sowie Krankheitsverlauf verlangsamen, gelten neurodegenerative Erkrankungen derzeit als unheilbar. Diese Tatsache zeigt einen dringenden Bedarf an der Entwicklung neuer innovativer Behandlungsmethoden auf. Autophagie beschreibt einen lysosomalen Abbauweg, der für das Überleben und die Homöostase der Zelle essenziell ist. Daher stellt die Autophagie einen vielversprechenden Ansatzpunkt für die Entwicklung von neuen Behandlungsmethoden, mit dem Ziel den Abbau von pathogenen Proteinen zu erhöhen, dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein auf BRET basierender zellulärer Assay zur quantitativen Analyse von Autophagie angehörigen Protein-Protein-Interaktionen entwickelt. In einem ersten Screening für Autophagieinteraktionen, wurden mehrere vielversprechende Interaktionen für eine pharmakologische Intervention identifiziert. So zeigt sich die Interaktion zwischen BECN1 und BCL-2 als ein vielversrechender Ansatzpunkt zu Autophagieinduktion. Des Weiteren, wurde die Interaktion zwischen STX17 und VAMP8 als ein möglicher Sensor um die Autophagieaktivität beobachten zu können identifiziert. Zusätzlich beschreibt dies Arbeit die Entwicklung von Autophagy targeting chimera (ATAC), welche einen neuen Ansatz zum gezielten Abbau von Proteinaggregaten über den Autophagie Pathway darstellen. Mit unseren Experimenten konnte gezeigt werden, dass ATAC Compounds den Autophagieabhängigen Abbau von Proteinaggregaten wie Tau und HTT Aggregaten induzieren. Die Ergebnisse diese Thesis zeigen neue Ansatzpunkte zur Entwicklung neuer Wirkstoffe zur Induktion der Autophagie sowie den gezielten Abbau von Proteinaggregaten auf.