Nsp15-Inhibitoren zur Verhinderung künftiger viraler Pandemien (Nsp15 VIPA)
Projektleiter: Prof. Dr. Oliver Plettenburg
Schlüsselbereich
- Antivirale Strategien: Wirk- und Impfstoffe, Antikörper
Wer war beteiligt?
- Prof. Dr. Oliver Plettenburg (Projektleiter, Leibniz Universität Hannover)
- Prof. Dr. Mark Brönstrup (HZI)
- Prof. Dr. Ulrich Kalinke (TWINCORE)
- Prof. Dr. Maren von Köckritz-Blickwede (TiHo)
International Kooperationspartner:
- Carsten Schultz (Oregon Health and Science University, Portland, USA)
- Fikadu Tafesse (Oregon Health and Science University, Portland, USA)
Was war das Ziel?
Die Bedeutung des hochkonservierten Proteins Nsp15 für die Infektion von Zellen durch Coronaviren wurde in den letzten Jahren eingehend untersucht. Als Endonuklease erkennt und baut es sowohl einzelsträngige (ssRNA) als auch doppelsträngige RNA (dsRNA) schnell ab. Darüber hinaus deuten Hinweise aus Tiermodellen auf immunmodulierende Eigenschaften von Nsp15 während der frühen Virusinfektion hin, die zu einer verzögerten Immunreaktion führen. Dieser Prozess ist letztlich an der Entstehung des akuten Lungenversagens beteiligt, das die Hauptursache für die COVID-19-Mortalität ist. Im Rahmen dieses Förderprogramms planen wir die Entwicklung neuer Inhibitoren dieses Proteins durch strukturgeleitetes Design. Vielversprechende Verbindungen werden hinsichtlich ihrer ADME und physikochemischen Eigenschaften charakterisiert, um so oral bioverfügbare Verbindungen für die Behandlung künftiger viraler Pandemien zu erhalten.
Das wurde erreicht:
Das nicht-strukturelle Protein 15 (Nsp15) des Coronavirus stellt ein äußerst attraktives antivirales Ziel dar, das für die Vorbereitung auf künftige Viruspandemien von besonderer Bedeutung ist. Nsp15 ist eine Uridin-spezifische Endoribonuklease (EndoU), die in allen Coronaviren konserviert und in den viralen Replikations-Transkriptions-Komplex (RTK) integriert ist. Seine Hauptfunktion besteht in der Spaltung von viralen RNA-Zwischenprodukten, die Uridinreste enthalten. Auf diese Weise wird die Anreicherung von doppelsträngigen RNA-Spezies verhindert, die andernfalls die angeborenen Immunsensoren des Wirts aktivieren würden. Durch die Einschränkung der dsRNA-Erkennung wirkt Nsp15 so als wichtiger Antagonist der Interferonreaktionen und ermöglicht eine effiziente Virusreplikation in immunkompetenten Zellen.
Erwähnenswert ist, dass die EndoU-Aktivität von Nsp15 einzigartig für Nidoviren (der Superfamilie der Coronaviridae) ist und keine engen menschlichen Homologe bekannt sind, was dieses Enzym zu einem ungewöhnlich selektiven antiviralen Zielprotein macht.
Die genetische Inaktivierung von Nsp15 führt zu einer erhöhten dsRNA-Akkumulation und einer verstärkten Interferon-Signalübertragung, was die virale Fitness in physiologisch relevanten Zellmodellen abschwächt. Diese Kombination aus evolutionärer Konservierung und funktioneller Unentbehrlichkeit legt nahe, dass Inhibitoren eine generelle Breitbandwirkung gegen neu auftretende Coronaviren entfalten könnten.
In jüngeren Arbeiten wurden bereits einige prototypische niedermolekulare Inhibitoren als Toolverbindungen identifiziert, jedoch bleibt das Design von Inhibitoren eine Herausforderung, da das aktive Zentrum RNA-Substrate und keine niedermolekularen Verbindungen bindet, was zu flachen und stark polaren Bindungsumgebungen führt. Diese Eigenschaften erschweren das rationale Ligandendesign. Unter Verwendung dieser Tool-Verbindungen haben wir mit verschiedenen strukturbasierten Ansätzen des Wirkstoffdesigns zwei unterschiedliche Strukturklassen von Verbindungen entdeckt, die in Zellassays eine vielversprechende antivirale Aktivität zeigten. Diese Kandidaten weisen eine verbesserte Arzneimittelähnlichkeit auf und bieten das Potenzial für die weitere Entwicklung als Therapeutika, die die Virusreplikation wirksam hemmen können. Unsere Ergebnisse leisten somit einen wichtigen Beitrag zur Pandemievorsorge, indem sie die therapeutischen Optionen für die akute Virusbehandlung erweitern.