Zielstruktur Protein

Neue medizinische Ansätze werden oft mit bahnbrechenden Technologien auf Gen-Ebene verbunden. Genscheren wie CRISPR, Gentherapien oder mRNA-basierte Therapien dominieren seit Jahren die öffentliche Diskussion. Diese Verfahren wirken auf Ebene der DNA oder der RNA und regulieren dadurch indirekt die Proteinproduktion im Körper. Doch eine wachsende Zahl innovativer Therapien setzt jetzt direkt bei den eigentlichen Akteuren der Zelle an: den Proteinen. Diese Technologien ermöglichen die unmittelbare und gezielte Zerstörung, Stabilisierung oder Modifikation krankheitsrelevanter Proteine, unabhängig von genetischen oder transkriptionellen Mechanismen. Sie bieten entscheidende Vorteile, insbesondere bei sogenannten „undruggable targets“, also Proteinen, die sich traditionellen Medikamenten entziehen.

Zu diesen neuartigen Ansätzen gehören vor allem Proteolysis Targeting Chimeras (PROTACs), molekulare Klebstoffe (Molecular Glues) und Inteine, sich selbst ausschneidende Proteinsegmente. Während PROTACs und Molecular Glues gezielt das zelleigene Protein-Abbau-System (Ubiquitin-Proteasom-System) oder lysosomale Abbauwege nutzen, erlauben Inteine präzise Proteinmodifikationen und -aktivierungen durch selbstinduziertes Herausschneiden oder Verbinden von Proteinsegmenten. Diese innovativen Technologien bieten neue Chancen bei Erkrankungen, für die bislang keine geeigneten therapeutischen Strategien existieren.



Dieser Artikel beleuchtet, wie diese modernen Strategien auf Proteinebene funktionieren, wo sie aktuell in der klinischen Entwicklung stehen und warum sie in Zukunft maßgeblich zu einer neuen Generation therapeutischer Optionen gehören könnten.

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PROTACs – Proteine gezielt abbauen

Ein besonders vielversprechender Ansatz zur gezielten Regulierung krankheitsrelevanter Proteine sind sogenannte PROTACs (Proteolysis Targeting Chimeras). Diese Moleküle besitzen eine besondere Wirkungsweise: Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Liganden, die über einen flexibel gestalteten chemischen Linker miteinander verbunden sind [8]. Ein Ligand bindet spezifisch an das Zielprotein, der andere bindet gezielt an eine E3-Ubiquitin-Ligase. Durch diese bifunktionale Eigenschaft werden die Zielproteine räumlich unmittelbar an das körpereigene Ubiquitin-Proteasom-System gekoppelt und anschließend gezielt ubiquitiniert. Dabei dient die Ubiquitinierung als Signal für den Abbau des Proteins durch das zelluläre Proteasom-System (UPS), ein hochselektiver, zelleigener Mechanismus zur Entfernung überflüssiger oder fehlerhafter Proteine und ein zentraler Mechanismus der zellulären Qualitätskontrolle [5], [9]. 

Im Gegensatz zu klassischen Inhibitoren, die Proteine lediglich blockieren, führen PROTACs zur vollständigen Entfernung des Zielproteins (Targeted Protein Degradation). Dadurch werden sämtliche Funktionen eines Zielproteins ausgeschaltet, unabhängig davon, ob das Protein enzymatische Aktivitäten oder andere funktionale Rollen erfüllt. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Moleküle in katalytischer Weise wirken und nicht dauerhaft gebunden bleiben müssen, um die Degradation anzustoßen. Dies erlaubt eine Wirksamkeit bereits in sehr niedrigen Konzentrationen, ein Vorteil gegenüber klassischen Inhibitoren [8].

Die rasante Entwicklung der PROTAC-Technologie hat bereits zur Gründung spezialisierter Biotechnologieunternehmen geführt, die diese therapeutische Strategie maßgeblich vorantreiben. Firmen wie Arvinas, C4 Therapeutics und Kymera Therapeutics zählen zu den führenden Akteuren in diesem innovativen Feld. Diese Unternehmen arbeiten derzeit intensiv daran, PROTAC-Moleküle gegen ein breites Spektrum von Krankheitsproteinen zu entwickeln, insbesondere in den Bereichen Onkologie und bei neurodegenerativen Erkrankungen. Zielmoleküle sind beispielsweise bislang schwer adressierbare Proteine wie KRAS oder Transkriptionsfaktoren zur Behandlung spezifischer Krebsarten oder pathologische Proteinaggregate, wie sie bei Alzheimer- oder Parkinson-Erkrankungen auftreten. Am weitesten fortgeschritten ist die Entwicklung von Vepdegestrant (ARV-471), ein oral einzunehmendes PROTAC, das auf den Östrogenrezeptor (ER) abzielt, einen hoch validierten Treiber von ER+ Brustkrebs. Das Produkt wird von der Firma Arvinas in Kollaboration mit dem Unternehmen Pfizer entwickelt und befindet sich zurzeit in einer klinischen Phase-3-Studie [10].

Eine andere Herangehensweise verfolgen Firmen wie Entact Bio, Stablix und Vicinitas Therapeutics. Diese Unternehmen setzen die PROTAC-Technologie zur gezielten Stabilisierung bestimmter Proteine ein (Targeted Protein Stabilization). Hierzu wird das Zielprotein mit einer Deubiquitinase gekoppelt, einem Enzym, das Ubiquitin-Markierungen abbauen oder abändern kann. Die verwendeten PROTAC-Moleküle werden deshalb auch als Deubiquitinase Targeting Chimera (DUBTAC) bezeichnet. Auf diese Weise wird das Zielprotein nicht vom Ubiquitin-Proteasom-System abgebaut und kann vor dem vorzeitigen Abbau gerettet werden. Zielproteine sind unter anderem Tumorsuppressoren.

Insgesamt zeichnen sich PROTACs als ein hochgradig vielversprechender therapeutischer Ansatz ab, der den Arzneimittelmarkt in den nächsten Jahren grundlegend verändern könnte. Die gezielte Entfernung von krankheitsrelevanten Proteinen eröffnet völlig neue Behandlungsmöglichkeiten, insbesondere für Erkrankungen, die bislang nur schwer therapierbar waren.

PROTACs, Molecular Glues und DUBTACs – gezielte Steuerung des Proteinabbaus und der Proteinstabilität

Unterschiedliche Strategien zur gezielten Beeinflussung des Proteinhaushalts in der Zelle:

PROTACs (Proteolysis Targeting Chimeras) sind bifunktionale Moleküle, die ein krankheitsrelevantes Zielprotein mit einer E3-Ubiquitin-Ligase verbinden. Dies führt zur Markierung mit Ubiquitin und dem anschließenden Abbau durch das Proteasom.

Molecular Glues fördern oder stabilisieren direkte Interaktionen zwischen einem Zielprotein und einer E3-Ligase, wodurch das Protein ebenfalls für den Abbau markiert wird, allerdings mit einem deutlich kleineren Molekül.

DUBTACs (Deubiquitinase-Targeting Chimeras) stellen die Gegenstrategie dar: Sie koppeln das Zielprotein an eine Deubiquitinase, die vorhandene Ubiquitin-Markierungen vom Zielprotein entfernt. Dadurch wird das Protein vor dem Abbau geschützt und seine Stabilität erhöht.

Diese Ansätze ermöglichen die selektive Entfernung oder Stabilisierung bestimmter Proteine, je nach therapeutischer Zielsetzung.

Molecular Glues – Klebstoffe für den gezielten Proteinabbau

Neben den bifunktionalen PROTAC-Molekülen etabliert sich derzeit eine weitere innovative Technologie zur gezielten Steuerung des Proteinabbaus: die sogenannten molekularen Klebstoffe („Molecular Glues“). Im Gegensatz zu PROTACs, die aus zwei unterschiedlichen Liganden bestehen, welche über einen chemischen Linker miteinander verbunden sind, handelt es sich bei molekularen Klebstoffen um monovalente, kleinere Moleküle ohne Linkerstruktur. Diese Moleküle sind in der Lage, Protein-Protein-Interaktionen zwischen einer E3-Ubiquitin-Ligase und einem Zielprotein herzustellen oder bestehende Interaktionen zu stabilisieren, ohne dabei notwendigerweise direkt an spezifische Bindetaschen des Zielproteins anzudocken. Dadurch wird ein ähnliches Resultat wie bei PROTACs erzielt: Die Zielproteine werden durch das zelluläre Ubiquitin-Proteasom-System markiert und schließlich abgebaut [6].

Die Entdeckung und Entwicklung von Molecular Glues begann mit dem bereits seit Jahrzehnten bekannten Medikament Thalidomid (Contergan) sowie dessen Derivaten Lenalidomid und Pomalidomid, welche zur Behandlung bestimmter Blutkrebserkrankungen, wie dem multiplen Myelom, eingesetzt werden. Überraschenderweise wurde erst viele Jahre nach deren klinischer Einführung entdeckt, dass diese Moleküle ihre Wirkung tatsächlich als molekulare Klebstoffe entfalten. Sie induzieren spezifische Interaktionen zwischen der E3-Ubiquitin-Ligase Cereblon (CRBN) und bestimmten Transkriptionsfaktoren (z. B. IKZF1 und IKZF3). Durch diese induzierten Interaktionen werden diese Transkriptionsfaktoren gezielt ubiquitiniert und vom Proteasom-System der Zelle entfernt, was letztlich zum therapeutischen Effekt führt [11], [12], [13].

Ein wesentlicher Vorteil molekularer Klebstoffe gegenüber PROTACs liegt in ihrer einfachen chemischen Struktur: Als kleine, monovalente Moleküle (die jeweils nur mit einem einzigen, spezifischen Partnermolekül interagieren) sind sie in der Regel deutlich leichter herzustellen, besser oral verfügbar und pharmakologisch einfacher zu optimieren. Im Gegensatz dazu sind PROTACs oft deutlich größer und komplexer, da sie aus zwei funktionellen Einheiten bestehen, die über einen Linker verbunden sind. Diese strukturelle Komplexität erschwert nicht nur die Wirkstoffentwicklung, sondern auch die Aufnahme in den Körper und die gezielte Verteilung im Gewebe [8].

Gleichzeitig bringt die Wirkweise molekularer Klebstoffe eigene Herausforderungen mit sich. Da sie neue Protein-Protein-Interaktionen induzieren oder stabilisieren, lassen sie sich häufig nicht zielgerichtet entwerfen. Ihre Entdeckung beruht oft auf Zufallstreffern in breit angelegten Wirkstoff-Screenings, was ihre Entwicklung aufwendiger und weniger planbar macht. [6].

Aktuell befinden sich mehrere molekulare Klebstoffe in der klinischen Erprobung und zeigen vielversprechende Ergebnisse insbesondere im Bereich der Onkologie. Darüber hinaus existiert eine breite Pipeline neuer molekularer Klebstoffe, die sich derzeit in präklinischer Entwicklung befinden und auf verschiedenste, teilweise bislang nicht adressierbare Zielproteine abzielen. Führende Unternehmen, die intensiv an der Entwicklung und Erforschung molekularer Klebstoffe arbeiten, sind beispielsweise C4 Therapeutics und Monte Rosa Therapeutics. Diese Firmen investieren erheblich in die Identifikation neuer Wirkstoffe, deren Optimierung sowie in deren klinische Erprobung, um zukünftig auch bislang schwer therapierbare Krankheiten gezielt adressieren zu können [14].

Zusammenfassend bieten molekulare Klebstoffe eine innovative Alternative zu PROTACs, die ebenfalls das Potenzial besitzen, den Arzneimittelmarkt grundlegend zu verändern. Sie ermöglichen eine gezielte und kontrollierte Entfernung von Proteinen, insbesondere von solchen, die durch herkömmliche Therapien nicht behandelbar sind, und bieten dabei klare Vorteile hinsichtlich der pharmakologischen Eigenschaften und klinischen Anwendbarkeit.

Weitere verwandte Ansätze für den gezielten Proteinabbau

Neben den vielversprechenden PROTACs und molekularen Klebstoffen entwickeln sich derzeit weitere spannende Methoden zur gezielten Entfernung von Proteinen, die sich komplementär zu den etablierten Strategien zeigen. Diese erweitern das therapeutische Potenzial erheblich, insbesondere da sie alternative zelluläre Mechanismen für den Proteinabbau nutzen und somit zusätzliche Zielstrukturen adressieren können.

Ein innovativer Ansatz sind sogenannte Lysosome Targeting Chimeras (LYTACs). Ähnlich wie PROTACs sind LYTACs bifunktionale Moleküle, jedoch nutzen sie statt des proteasomalen Systems den lysosomalen Abbauweg der Zellen. LYTACs bestehen typischerweise aus einem Liganden, der spezifisch an ein Zielprotein bindet, und einer Glykopeptid-Einheit, welche an den Mannose-6-Phosphat-Rezeptor (M6PR) auf der Zelloberfläche bindet. Dadurch wird das Zielprotein zur Aufnahme in die Zelle und anschließend zur lysosomalen Degradation geleitet [15]. Ein wesentlicher Vorteil von LYTACs ist, dass sie auch extrazelluläre und membranständige Proteine adressieren können, die für den proteasomalen Weg nicht zugänglich sind. Dies eröffnet neue Therapieansätze etwa für Erkrankungen, die durch krankheitsverursachende extrazelluläre Proteine charakterisiert sind [9], [15].

Eine weitere faszinierende Methode nutzt Autophagy Targeting Chimeras (AUTACs) und stützt sich auf die natürliche Fähigkeit der Zellen zur Autophagie. Autophagie ist ein evolutionär konservierter Prozess, bei dem zelluläre Bestandteile, einschließlich ganzer Organellen und Proteinaggregate, in Autophagosomen eingeschlossen und anschließend lysosomal abgebaut werden [16]. AUTAC-Moleküle enthalten eine spezielle Einheit auf Basis zyklischen GMPs (cGMP), die eine K63-vermittelte Polyubiquitinierung auslöst, wodurch Zielproteine gezielt in den autophagischen Abbauweg geführt werden. AUTACs haben großes Potenzial für Erkrankungen, bei denen pathologische Proteinaggregate auftreten, wie beispielsweise neurodegenerative Erkrankungen [17], [18].

Ein dritter Ansatz, Trim-Away, setzt auf eine Antikörper-basierte Strategie. Dabei werden spezifische Antikörper in die Zelle eingebracht, die gezielt an das zu entfernende Protein binden. Das Protein-Antikörper-Komplex wird anschließend durch das zelleigene Protein TRIM21 erkannt, das wiederum die schnelle Ubiquitinierung und proteasomale Degradation des Zielproteins vermittelt. Trim-Away zeichnet sich besonders durch seine Geschwindigkeit und Effektivität aus: Zielproteine können innerhalb von Minuten bis Stunden entfernt werden, was besonders bei akuten Interventionen von Bedeutung ist. Aufgrund ihrer hohen Selektivität und der Möglichkeit, spezifische Antikörper einzusetzen, bietet Trim-Away eine vielversprechende Möglichkeit für hochpräzise Eingriffe in die Proteinexpression innerhalb der Zelle [19], [20].

Diese ergänzenden Technologien erweitern das Arsenal gezielter Proteinabbau-Strategien erheblich und schaffen Möglichkeiten, ein breiteres Spektrum von Proteinen therapeutisch anzugehen.

LYTAC, AUTAC und Trim-Away – alternative Wege des gezielten Proteinabbaus

Drei weitere Strategien, die vom klassischen Proteasom-Pfad abweichen und alternative zelluläre Abbaumechanismen nutzen:

LYTACs (Lysosome Targeting Chimeras) leiten extrazelluläre oder membranständige Zielproteine über spezifische Rezeptoren, z. B. Mannose-6-Phosphat-Rezeptor (M6P-Rezeptor) an das Lysosom weiter, wo sie abgebaut werden.

AUTACs (Autophagy Targeting Chimeras) führen intrazelluläre Zielproteine über gezielte Polyubiquitinierung in die zelleigene Autophagie. Dort werden sie in Autophagosomen eingeschlossen und anschließend im Autolysosom abgebaut.

Trim-Away nutzt Antikörper, die in Zellen eingebracht werden und an das Zielprotein binden. Das zelluläre Protein TRIM21 erkennt diese Komplexe und vermittelt deren proteasomale Zerstörung.

Alle drei Ansätze erweitern das therapeutische Spektrum des gezielten Proteinabbaus, insbesondere für Zielproteine, die mit PROTACs schwer zugänglich sind.

Inteine – Proteine sich selbst schneiden lassen

Ein besonders faszinierender Ansatz zur gezielten Manipulation von Proteinen auf molekularer Ebene basiert auf sogenannten Inteinen. Bei Inteinen handelt es sich um spezielle Aminosäuresequenzen, die die einzigartige Eigenschaft besitzen, sich eigenständig – das heißt ohne externe enzymatische Aktivität oder zusätzliche Energiezufuhr – aus Proteinen herauszuschneiden und dabei die umliegenden Proteinfragmente, sogenannte Exteine, miteinander zu verbinden. Dieser Prozess, der als „Protein Splicing“ bezeichnet wird, ist ein posttranslationales Ereignis, bei dem aus einem einzigen Vorläuferprotein zwei funktionale Proteinsegmente entstehen [21], [22].

Der Ablauf dieses Mechanismus ist selbstkatalytisch: Nach der Synthese des Inteins innerhalb eines größeren Vorläuferproteins initiiert das Intein autonom die Spaltung an seinen beiden Enden. Dadurch wird es selbst aus dem Vorläuferprotein entfernt, und die flankierenden Extein-Bereiche werden nahtlos miteinander verbunden. Das Ergebnis ist ein vollständig funktionelles Zielprotein, welches frei von zusätzlichen Anhängen oder Modifikationen ist [21], [23]. Inteine kommen natürlicherweise in verschiedenen Organismen vor, insbesondere in Bakterien und Pilzen, wo sie häufig in essenziellen Proteinen lokalisiert sind und möglicherweise eine Rolle bei genetischer Mobilität spielen [23].

Die Fähigkeit zur autonomen Proteinmodifikation eröffnet erhebliche Potenziale für therapeutische und biotechnologische Anwendungen. Besonders interessant ist hierbei, dass die Proteinaktivität durch den Einsatz von Inteinen exakt steuerbar wird. Da Inteine auf bestimmte molekulare Signale oder Umweltbedingungen reagieren können (zum Beispiel Veränderungen in Temperatur, pH-Wert oder durch Zugabe spezifischer Moleküle), erlauben sie eine präzise Kontrolle darüber, wann und wo bestimmte Proteine aktiv werden [22], [24].

Darüber hinaus dienen Inteine zunehmend als molekulare Werkzeuge für gezielte Proteinmodifikationen. Intein-basierte Methoden ermöglichen etwa eine ortsspezifische Modifikation von Proteinen mit chemischen Markierungen oder Fluoreszenzfarbstoffen, was insbesondere in der zellulären Bildgebung und in der strukturellen Biologie von großem Nutzen ist [24]. Außerdem gibt es Ansätze, Inteine im Bereich des Protein-Engineerings einzusetzen, beispielsweise um maßgeschneiderte Proteine zu generieren, deren Aktivität oder Stabilität gezielt optimiert wurde. Auch im Bereich des Drug Delivery eröffnen Inteine innovative Ansätze, indem sie zur kontrollierten Freisetzung therapeutischer Peptide oder Proteine genutzt werden können, die erst am Zielort ihre volle Aktivität entfalten [22].

Aktuell befinden sich die meisten Anwendungen der Intein-Technologie noch im Bereich der Grundlagenforschung. Dennoch wächst das Interesse an biotechnologischen Einsatzmöglichkeiten stetig. Führende Forschungseinrichtungen arbeiten beispielsweise an sogenannten Split-Intein-Systemen, mit denen sich therapeutische Moleküle gezielt in Zellen einschleusen und dort aktivieren lassen [25], [26], [27].

Ein derzeit einzigartiges Biotech-Unternehmen, das Inteine gezielt für klinische Anwendungen nutzt, ist das spanische Start-up SpliceBio. Das Unternehmen entwickelt Gentherapien für erbliche Netzhauterkrankungen und setzt dabei auf adeno-assoziierte virale Vektoren (AAV). Ein zentrales Problem bei AAV-basierten Therapien ist die begrenzte Aufnahmekapazität für große Gene (>5 kb). SpliceBio begegnet dieser Herausforderung mit Hilfe von Inteinen: Zielgene werden in kleinere Fragmente aufgeteilt, die jeweils von kurzen Split-Inteinen flankiert sind. Nach dem Transport in die Zielzellen, z. B. in die Netzhaut, setzen sich die Proteinfragmente durch Trans-Splicing wieder zu funktionalen Proteinen in voller Länge zusammen [28].

Inteine stellen eine ausgesprochen spannende und innovative Strategie dar, um Proteine präzise und kontrolliert zu modifizieren, aktivieren oder in ihrer Funktion zu steuern. Ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in Forschung und Medizin machen sie zu einer Technologie mit großem Potenzial, die in den nächsten Jahren weiter an Bedeutung gewinnen könnte.

Inteine und Split-Inteine – molekulare Werkzeuge zur Proteinmodifikation

Funktionsweise von Inteinen und Split-Inteinen als Werkzeuge zur gezielten Proteinmodifikation:

Inteine sind proteininterne Sequenzen, die sich selbstständig aus einem Protein herausschneiden können. Dabei werden die umgebenden Proteinbereiche (Exteine) wieder zu einem voll funktionsfähigen Protein zusammengespleißt – ähnlich wie bei RNA-Spleißen, nur auf Proteinebene.

Split-Inteine bestehen aus zwei getrennt synthetisierten Fragmenten. Diese werden unabhängig voneinander in eine Zelle eingebracht, wo sie sich selbstständig zusammenfügen und das Spleißen auslösen.

Diese Mechanismen können genutzt werden, um große Proteine rekombinant herzustellen, therapeutische Moleküle kontrolliert zu aktivieren oder zielgerichtet in Zellen zu rekonstruieren.

Fazit und Ausblick

Die gezielte Beeinflussung von Proteinen auf molekularer Ebene markiert einen vielversprechenden Paradigmenwechsel in der biomedizinischen Forschung und Therapieentwicklung. Ob Abbau, Stabilisierung oder gezielte Modifikation – die Vielfalt innovativer Strategien, die direkt auf Proteinebene ansetzen, ist beeindruckend und wächst stetig. Technologien wie PROTACs und molekulare Klebstoffe haben gezeigt, dass selbst zuvor als „undruggable“ geltende Zielproteine therapeutisch adressierbar werden. Während einige dieser Ansätze, insbesondere PROTACs, bereits klinisch erprobt werden, befinden sich andere – wie LYTACs, AUTACs oder die Intein-Technologie – noch in der präklinischen oder experimentellen Phase.

Gleichzeitig zeigt sich ein deutlicher Trend: Immer mehr spezialisierte Biotech-Start-ups entstehen rund um diese neuen Wirkmechanismen und auch große Pharmaunternehmen investieren zunehmend in gezielte Proteinmodulation als strategischen Forschungsschwerpunkt. Die Chancen sind enorm, ebenso wie die Herausforderungen.

Führende Unternehmen in den Bereichen PROTACs, Molecular Glues, LYTACs und Inteinen

Betrachtet wurden  Unternehmen mit humanmedizinischem Fokus; agronomische Anwendungen wurden nicht einbezogen. Der Begriff „Präklinik“ umfasst sowohl Lead-Optimierung als auch IND-enabling studies. Die Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.