alfa1-antitripszin hiány (ATD), Z-mutáns alfa1-antitripszin (ZA1AT), endoplazmatikus retikulum (ER), inositol requiring enzim 1 (IRE1), protein folding, nagy áteresztőképességű szűrés (HTS)
Keywords in English
Αlpha1-Antitrypsin Deficiency (ATD), Z mutant Alpha1-Antitrypsin (ZA1AT), endoplasmic reticulum (ER), Inositol Requiring Enzyme 1 (IRE1), protein folding, high-throughput-screening (HTS)
Discipline
Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Pharmaceutical chemistry
Panel
Chemistry 2
Department or equivalent
Dept. of Pharmaceutical Chemistry (Semmelweis University)
Starting date
2019-01-01
Closing date
2022-05-31
Funding (in million HUF)
11.892
FTE (full time equivalent)
1.37
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az alfa1-antitripszin hiány (alpha-antitripszin deficiency, ATD) egy ritka betegség, kialakulását az alfa1-antitripszin (A1AT) mutációja okozza. Ez a betegség nem megfelelő szerkezetű fehérjék létrejöttét okozza, amelyek nem alkalmasak szekrécióra, így felhalmozódnak és aggregálódnak a hepatociták endoplazmatikus retikulumában (ER). A normál működésű A1AT a májból a tüdőbe kerül, ahol a neutrofil elasztáz inhibitoraként funkcionál. Az úgy nevezett Z mutáns A1AT viszont nem képes elhagyni a májsejtek ER-át. Ennek hatására mind a tüdőt, mind a májat érintő súlyos kórképek kialakulhatnak. A tüdőben emfizémát, majd COPD-t is okozhat az A1AT Z mutációja, a májban pedig fibrózist vagy májcirrózist, legsúlyosabb esetben májelégtelenséget. A mai klinikai gyakorlatban az ATD kezelése a májátültetés. Napjainkig a betegség gyógyszeres kezelésére nincs lehetőség. A pályázati munkánkban szintén részvevő Chevet-labornak az (eddig a szakirodalomban nem megjelent) eredményei azt támasztják alá, hogy javítja a Z mutáns A1AT szekrécióját az inozitol-requiring enzim 1 (IRE1) aktiválása. Az IRE1 szenzormolekulája az ER transzmembránjában helyezkedik el és elősegíti a selejtfehérje-választ (unfolded protein response, UPR). Ígéretes megoldás lehet a betegség kezelésére ezt az enzimet aktiválni képes molekulák előállítása.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Az Európai Unió fontosnak tartja a ritka betegségek kutatását és alapos megismerését. Az E-Rare pályázaton belül az alfa1-antitripszin hiány kezelésére alkalmas gyógyszermolekulák kutatására kapott a kutatócsoportunk lehetőséget. A fő kérdése a kutatásunknak az, hogy lehetséges-e IRE1 enzimaktiváló molekulákkal az alfa1-antitripszin hiány kezelése?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A tüdő krónikus betegségei (emfizéma (tüdőtágulat), COPD), illetve a májcirrózis vagy májelégtelenség kialakulásának a hátterében az alfa1-antitripszin hiány állhat. Ezek közül a COPD-t példaként kiemelve elmondható, hogy ez a betegség a KSH adatai szerint (http://www.ksh.hu/docs/hun/xftp/gyor/jel/jel309013.pdf) a világ vezető halálokai között a 4. helyet foglalta el 2004-ben. A becslések szerint 2030-ra már a harmadik helyre lép elő a COPD. Az alfa1-antitripszin hiány okozta COPD-s megbetegedések is hozzájárulnak ehhez az igen gyakori előforduláshoz és tragikus kimenetelhez (bár nem minden COPD-s megbetegedés patobiokémiai háttere azonos). Emiatt nagyon fontos, hogy minél hamarabb a májtranszplantáción kívül más gyógymódot találjunk az alfa1-antitripszin hiány kezelésére, lehetőleg gyógyszeres terápia formájában. Az adott témakörben sem hazai, sem nemzetközi versenytárs nem ismert.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Egy, a máj sejtjeiben előforduló molekulának, az alfa1-antitripszinnek a nem megfelelő működése egyaránt képes máj és tüdőbetegségeket okozni. Ezeknek a szerveknek az igen súlyos kórképei is kialakulhatnak a betegség során, például májelégtelenség vagy COPD. Ennek a ritka betegségnek a kezelésére ma még az egyetlen megoldást a máj átültetés jelenti. Kutatásunk célja, hogy ne csak ezt a gyógymódot lehessen használni, hanem a sokkal kevésbé komplikáltabb gyógyszeres terápiát. Ennek érdekében erre alkalmas gyógyszerfejlesztést végzünk a kutatásaink során.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Alpha1-antitrypsin deficiency (ATD) is a rare disease caused by mutations in Αlpha1-Antitrypsin (A1AT) leading to improperly folded protein products unable to be secreted, and that can in some instances aggregate in hepatocyte endoplasmic reticulum (ER). The normal function of A1AT is to be transported to the lung where it acts as an inhibitor of neutrophil elastase. Z mutant Alpha1-Antitrypsin (ZA1AT) is retained in the ER by cellular quality control mechanisms and aggregates in this compartment. The consequences are severe health issues such as a loss-of-function defect in the lungs leading to lung emphysemas and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) due the lack of circulating active A1AT. In the liver, the accumulation of ZA1AT through loop-sheet polymerization of soluble monomers leads to a proteotoxic gain-of-function, subsequently linked to deficient export from the ER. This aggregation can cause liver fibrosis and cirrhosis and subsequently hepatic failure. The current therapeutic option for ZA1AT is transplantation. To date, there exists no other effective pharmacological treatment alternative for ATD. Unpublished research from the Chevet laboratory (co-applicant) showed that selected activation of the IRE1 arm of the Unfolded Protein Response (UPR) improved the secretion of functionally active ZA1AT. This provides the proof of principle supporting the hypothesis that increasing ER proteostasis is a novel strategy to decrease proteotoxicity in the liver and to neutralize proteolytic activity in the lung in ATD.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Is it possible to treat the alpha1-antitrypsin deficiency with IRE1 enzyme activator molecules?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. This project aims at identifying modulators in a cell-based high throughput screen (HTS) for IRE1 modulators using a cell-based XBP1 splicing assay. Hits will be subsequently screened for their capacity to promote ZA1AT secretion. Compounds selected through both assays will then be validated in a cascade of pharmacological, biochemical, cellular and functional assays (most of these assays have been independently established with the applicants). Validated hit compounds will be optimized and developed by our experienced medicinal chemistry team and our medicinal chemistry advisor (Dr. Robert Zamboni, previously VP Research Respiratory, Merck Frosst Inc.) up to lead nomination. Lead structures that fulfill the required parameters such as sufficient activity, selectivity, safety, etc. will be tested in an animal model for ATD, the PiZ mouse. We hypothesize that these molecules will restore secretion of ZA1AT and therefore ameliorate lung function as well as prevent liver toxicity and failure. The proposed ZA1AT modulators represent a highly promising approach to develop urgently needed drugs for the treatment of ATD.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Alpha1-antitrypsin deficiency (ATD) is a rare disease caused by mutations in Αlpha1-Antitrypsin (A1AT) leading to improperly folded protein products unable to be secreted, and that can in some instances aggregate in hepatocyte endoplasmic reticulum (ER). The normal function of A1AT is to be transported to the lung where it acts as an inhibitor of neutrophil elastase. Z mutant Alpha1-Antitrypsin (ZA1AT) is retained in the ER by cellular quality control mechanisms and aggregates in this compartment. The consequences are severe health issues such as a loss-of-function defect in the lungs leading to lung emphysemas and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) due the lack of circulating active A1AT. In the liver, the accumulation of ZA1AT through loop-sheet polymerization of soluble monomers leads to a proteotoxic gain-of-function, subsequently linked to deficient export from the ER. This aggregation can cause liver fibrosis and cirrhosis and subsequently hepatic failure. The current therapeutic option for ZA1AT is transplantation. To date, there exists no other effective pharmacological treatment alternative for ATD. Unpublished research from the Chevet laboratory (co-applicant) showed that selected activation of the IRE1 arm of the Unfolded Protein Response (UPR) improved the secretion of functionally active ZA1AT. This provides the proof of principle supporting the hypothesis that increasing ER proteostasis is a novel strategy to decrease proteotoxicity in the liver and to neutralize proteolytic activity in the lung in ATD.
Final report
Results in Hungarian
A nemzetközi konzorcium tagjai az ERAAT projekten belül kifejlesztettek egy elsődleges vizsgálati eljárást, amely alkalmas kis molekulák nagy teljesítményű szűrésére (HTS), HTS-t végeztek, és több mint 570 000 vegyületet teszteltek. Körülbelül 800 elsődleges találatot azonosítottak (IRE1 induktorok), amelyeket ezt követően másodlagos tesztekkel jellemeztek, kémiailag csoportosítottak és cheminformatikai módszerekkel elemeztek. Ezenkívül az IRE1 kináz in silico vizsgálatát is elvégezték az IRE1 oligopeptid szekvenciák gátló aktivitást mutató analógjainak sorozatával. A farmakofor modellt az ebből a szűrésből származó kötődési hipotézisekkel együtt ezután szűrőként használták egy in silico szűrés során, és azonosították és jellemezték a potenciális találati jelölteket. Molekuláris modellezést alkalmaztak az IRE1 aktivátor vegyületek lehetséges hatásmódjainak feltárására, amelyek eredményeként a biológiai kísérletekben aktív molekulák születtek. Ezzel a projekttel az a hipotézis, hogy az IRE1 aktivátorok növelik a ZA1AT szekrécióját, érvényteleníthető. Az eredmények alapján feltételezhető, hogy az IRE1-aktiváció általában nem elegendő ahhoz, hogy szignifikánsan katalizálja a helyesen vagy helytelenül hajtogatott fehérjék exportját az ER-ből.
Results in English
Within the ERAAT project, a primary assay suitable for high throughput screening (HTS) of small molecules was developed. HTS was conducted and more than 570.000 compounds were tested. About 800 primary hits were identified (IRE1 inducers) that were subsequently characterized in secondary assays, chemically clustered and analyzed by cheminformatics. In addition, an in silico exploration of the IRE1 kinase was conducted with a set of analogs of IRE1 oligopeptide sequences exhibiting inhibitory activities. The pharmacophore model, together with the binding hypotheses resulting from this screen, were then utilized as filters in an in silico screening campaign and potential hit candidates were identified and characterized. Molecular modelling was used to explore the possible modes of action of the IRE1 activator compounds that resulted in hit molecules which were active in biological experiments. With this project, the hypothesis that IRE1 activators increase the secretion of ZA1AT could be de-validated. Based on our results, it can be assumed that IRE1-activation is generally not sufficient to significantly catalyze the export of correctly or incorrectly folded proteins from the ER or autophagy.
