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Orale Desinfektionsmittel inhibieren Protein-Protein-Wechselwirkungen des antiapoptotischen Proteins...

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Protein-Protein-Wechselwirkungen DOI: 10.1002/ange.201208889 Orale Desinfektionsmittel inhibieren Protein-Protein-Wechsel- wirkungen des antiapoptotischen Proteins Bcl-x L und induzieren Apoptose in humanen oralen Tumorzellen** Martin GrȨber, Michael Hell, Corinna Grçst, Anders Friberg, Bianca Sperl, Michael Sattler und Thorsten Berg* In den letzten Jahren wurden auf dem Gebiet der nieder- molekularen Inhibitoren von Protein-Protein-Wechselwir- kungen große Fortschritte erzielt, die das ungemein große Potenzial des Ansatzes fɒr die Grundlagenforschung und die angewandte Forschung in das Zentrum des allgemeinen Be- wusstseins gerɒckt haben. [1] Einige der besten orthosterischen Inhibitoren von Protein-Protein-Wechselwirkungen [2–5] werden derzeit in klinischen Studien getestet. Wir berichten hier, dass die Bisbiguanide Chlorhexidin [6] (aktiver Bestand- teil der kommerziellen PrȨparate Chlorhexamed, Chlorhexal, Periogard, Corsodyl und Chlorohex) und Alexidin [7] (Esem- dent), die seit vielen Jahren als orale Desinfektionsmittel im weltweiten menschlichen Gebrauch sind, die krebsrelevanten Protein-Protein-Wechselwirkungen zwischen dem antiapopt- otischen Bcl-2-Protein Bcl-x L und seinen proapoptotischen Bindungspartnern inhibieren. Die Verbindungen induzieren Apoptose in oralen Tumorzelllinien ɒber den mitochondria- len Signalweg. Unsere Untersuchung basierte auf der Annahme, dass niedermolekulare Verbindungen, die bereits als Wirkstoffe fɒr andere Zielstrukturen zugelassen sind, bis dato unbe- kannte AktivitȨten gegenɒber Protein-Protein-Wechselwir- kungen [8] in ihrem therapeutischen Konzentrationsbereich aufweisen kçnnten. [9] Um diese Hypothese an einer fɒr die menschliche Gesundheit relevanten Protein-Protein-Wech- selwirkung zu ɒberprɒfen, konzentrierten wir uns auf die Wechselwirkung zwischen dem antiapoptotischen Bcl-2-Fa- milienmitglied Bcl-x L und dessen proapoptotischem Bin- dungspartner Bad aus derselben Proteinfamilie. Die Wech- selwirkung zwischen Bcl-x L und proapoptotischen Bcl-2- Proteinen hat bereits betrȨchtliche Aufmerksamkeit von Tu- morbiologen und Medizinalchemikern auf sich gezo- gen. [2, 10–12] Eine aus 4088 Verbindungen bestehende Substanzbiblio- thek, die einen großen Anteil von klinisch genutzten kleinen Molekɒlen enthielt, wurde in einem Bindungsassay auf der Basis der Fluoreszenzpolarisation nach Inhibitoren der Wechselwirkung von Bcl-x L und einem von der Bad BH3- DomȨne abgeleiteten Peptid durchmustert (Z= 0.64 Æ 0.11; siehe Abbildung S1 in den Hintergrundinformationen). [13] Die dabei als aktiv erkannten Verbindungen (Screeningkon- zentration: ca. 50 mm) wurden anschließend auf ihre Aktivi- tȨten gegenɒber anderen Protein-Protein-Wechselwirkungen aus einer vorangegangenen Screeningstudie ɒberprɒft. [14] Durch dieses Vorgehen wurden Chlorhexidin (1) und Alexi- din (2 ; Abbildung 1 A) als potenziell selektive Inhibitoren der Bcl-x L /Bad-Wechselwirkung identifiziert (Abbildung S2). Die robotergestɒtzte wiederholte Analyse bestȨtigte die dosisab- hȨngige Inhibition der Bindung zwischen Bcl-x L und Bad, sowie auch zwischen Bcl-x L und Bak, durch 1 und 2 mit Ȩhnlichen AktivitȨten (Abbildung S3). Fɒr die folgenden Studien wurde aufgrund des grçßeren Assayfensters die Wechselwirkung zwischen Bcl-x L und Bak anstelle der Wechselwirkung zwischen Bcl-x L und Bad analysiert. Die [*] Dr. M. GrȨber, [+] M. Sc. C. Grçst, [+] Prof. Dr. T. Berg Institut fɒr Organische Chemie, UniversitȨt Leipzig Johannisallee 29, 04103 Leipzig (Deutschland) E-Mail: [email protected] Homepage: http://www.uni-leipzig.de/ ~ tberg Dr. M. GrȨber, [+] Dipl.-Chem. M. Hell, [+] B. Sperl, Prof. Dr. T. Berg Abteilung fɒr Molekularbiologie, Max-Planck-Institut fɒr Biochemie und Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM) Am Klopferspitz 18, 82152 Martinsried (Deutschland) Dipl.-Chem. M. Hell [+] Institut fɒr Molekulare Gesundheitswissenschaften, ETH Zɒrich Schafmattstrasse 22, 8093 Zɒrich (Schweiz) Dr. A. Friberg, [$] Prof. Dr. M. Sattler Institut fɒr Strukturbiologie, Helmholtz-Zentrum Mɒnchen IngolstȨdter Landstraße 1, 85764 Neuherberg (Deutschland) und Munich Center for Integrated Protein Science Lehrstuhl fɒr biomolekulare NMR-Spektroskopie Department Chemie, Technische UniversitȨt Mɒnchen Lichtenbergstraße 4, 85747 Garching (Deutschland) [ $ ] Derzeitige Adresse: Department of Biochemistry Vanderbilt University School of Medicine Nashville, TN 37232-0146 (USA) [ + ] Diese Autoren haben zu gleichen Teilen zu der Arbeit beigetragen. [**] Diese Arbeit wurde großzɒgig unterstɒtzt durch die Abteilung fɒr Molekularbiologie (Direktor: Prof. Dr. Axel Ullrich) am Max-Planck- Institut fɒr Biochemie (MPIB), das BMBF (NGFN-2, Fçrderkenn- zeichen 01GS0451), die Deutsche Krebshilfe (Fçrderkennzeichen 108614) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Fçrderkenn- zeichen BE 4572/1-1). Wir danken Prof. Ho Sup Yoon (Nanyang Technological University, Singapore) fɒr das Bcl-xL-Plasmid und die Zuordnung der NMR-Signale der Proteinhauptkette. Wir danken außerdem Judith Mɒller (MPIB) und den Mitarbeitern des MPIB fɒr experimentelle Unterstɒtzung, und Angela Hollis fɒr das kritische Lesen des Manuskriptes. Wir danken Prof. Dr. Wilhelm Krek (ETH Zɒrich) fɒr die Unterstɒtzung der Arbeiten von M.H. Hintergrundinformationen zu diesem Beitrag sind im WWW unter http://dx.doi.org/10.1002/ange.201208889 zu finden. 4583 Angew. Chem. 2013, 125, 4583 –4588 # 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
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Protein-Protein-WechselwirkungenDOI: 10.1002/ange.201208889

Orale Desinfektionsmittel inhibieren Protein-Protein-Wechsel-wirkungen des antiapoptotischen Proteins Bcl-xL und induzierenApoptose in humanen oralen Tumorzellen**Martin Gr�ber, Michael Hell, Corinna Grçst, Anders Friberg, Bianca Sperl, Michael Sattler undThorsten Berg*

In den letzten Jahren wurden auf dem Gebiet der nieder-molekularen Inhibitoren von Protein-Protein-Wechselwir-kungen große Fortschritte erzielt, die das ungemein großePotenzial des Ansatzes f�r die Grundlagenforschung und dieangewandte Forschung in das Zentrum des allgemeinen Be-wusstseins ger�ckt haben.[1] Einige der besten orthosterischenInhibitoren von Protein-Protein-Wechselwirkungen[2–5]

werden derzeit in klinischen Studien getestet. Wir berichtenhier, dass die Bisbiguanide Chlorhexidin[6] (aktiver Bestand-teil der kommerziellen Pr�parate Chlorhexamed, Chlorhexal,Periogard, Corsodyl und Chlorohex) und Alexidin[7] (Esem-dent), die seit vielen Jahren als orale Desinfektionsmittel imweltweiten menschlichen Gebrauch sind, die krebsrelevantenProtein-Protein-Wechselwirkungen zwischen dem antiapopt-otischen Bcl-2-Protein Bcl-xL und seinen proapoptotischenBindungspartnern inhibieren. Die Verbindungen induzierenApoptose in oralen Tumorzelllinien �ber den mitochondria-len Signalweg.

Unsere Untersuchung basierte auf der Annahme, dassniedermolekulare Verbindungen, die bereits als Wirkstoffef�r andere Zielstrukturen zugelassen sind, bis dato unbe-kannte Aktivit�ten gegen�ber Protein-Protein-Wechselwir-kungen[8] in ihrem therapeutischen Konzentrationsbereichaufweisen kçnnten.[9] Um diese Hypothese an einer f�r diemenschliche Gesundheit relevanten Protein-Protein-Wech-selwirkung zu �berpr�fen, konzentrierten wir uns auf dieWechselwirkung zwischen dem antiapoptotischen Bcl-2-Fa-

milienmitglied Bcl-xL und dessen proapoptotischem Bin-dungspartner Bad aus derselben Proteinfamilie. Die Wech-selwirkung zwischen Bcl-xL und proapoptotischen Bcl-2-Proteinen hat bereits betr�chtliche Aufmerksamkeit von Tu-morbiologen und Medizinalchemikern auf sich gezo-gen.[2, 10–12]

Eine aus 4088 Verbindungen bestehende Substanzbiblio-thek, die einen großen Anteil von klinisch genutzten kleinenMolek�len enthielt, wurde in einem Bindungsassay auf derBasis der Fluoreszenzpolarisation nach Inhibitoren derWechselwirkung von Bcl-xL und einem von der Bad BH3-Dom�ne abgeleiteten Peptid durchmustert (Z’= 0.64� 0.11;siehe Abbildung S1 in den Hintergrundinformationen).[13]

Die dabei als aktiv erkannten Verbindungen (Screeningkon-zentration: ca. 50 mm) wurden anschließend auf ihre Aktivi-t�ten gegen�ber anderen Protein-Protein-Wechselwirkungenaus einer vorangegangenen Screeningstudie �berpr�ft.[14]

Durch dieses Vorgehen wurden Chlorhexidin (1) und Alexi-din (2 ; Abbildung 1A) als potenziell selektive Inhibitoren derBcl-xL/Bad-Wechselwirkung identifiziert (Abbildung S2). Dierobotergest�tzte wiederholte Analyse best�tigte die dosisab-h�ngige Inhibition der Bindung zwischen Bcl-xL und Bad,sowie auch zwischen Bcl-xL und Bak, durch 1 und 2 mit�hnlichen Aktivit�ten (Abbildung S3). F�r die folgendenStudien wurde aufgrund des grçßeren Assayfensters dieWechselwirkung zwischen Bcl-xL und Bak anstelle derWechselwirkung zwischen Bcl-xL und Bad analysiert. Die

[*] Dr. M. Gr�ber,[+] M. Sc. C. Grçst,[+] Prof. Dr. T. BergInstitut f�r Organische Chemie, Universit�t LeipzigJohannisallee 29, 04103 Leipzig (Deutschland)E-Mail : [email protected]: http://www.uni-leipzig.de/~ tberg

Dr. M. Gr�ber,[+] Dipl.-Chem. M. Hell,[+] B. Sperl, Prof. Dr. T. BergAbteilung f�r Molekularbiologie, Max-Planck-Institut f�r Biochemieund Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM)Am Klopferspitz 18, 82152 Martinsried (Deutschland)

Dipl.-Chem. M. Hell[+]

Institut f�r Molekulare Gesundheitswissenschaften, ETH Z�richSchafmattstrasse 22, 8093 Z�rich (Schweiz)

Dr. A. Friberg,[$] Prof. Dr. M. SattlerInstitut f�r Strukturbiologie, Helmholtz-Zentrum M�nchenIngolst�dter Landstraße 1, 85764 Neuherberg (Deutschland)undMunich Center for Integrated Protein ScienceLehrstuhl f�r biomolekulare NMR-SpektroskopieDepartment Chemie, Technische Universit�t M�nchenLichtenbergstraße 4, 85747 Garching (Deutschland)

[$] Derzeitige Adresse: Department of BiochemistryVanderbilt University School of MedicineNashville, TN 37232-0146 (USA)

[+] Diese Autoren haben zu gleichen Teilen zu der Arbeit beigetragen.

[**] Diese Arbeit wurde großz�gig unterst�tzt durch die Abteilung f�rMolekularbiologie (Direktor: Prof. Dr. Axel Ullrich) am Max-Planck-Institut f�r Biochemie (MPIB), das BMBF (NGFN-2, Fçrderkenn-zeichen 01GS0451), die Deutsche Krebshilfe (Fçrderkennzeichen108614) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Fçrderkenn-zeichen BE 4572/1-1). Wir danken Prof. Ho Sup Yoon (NanyangTechnological University, Singapore) f�r das Bcl-xL-Plasmid und dieZuordnung der NMR-Signale der Proteinhauptkette. Wir dankenaußerdem Judith M�ller (MPIB) und den Mitarbeitern des MPIB f�rexperimentelle Unterst�tzung, und Angela Hollis f�r das kritischeLesen des Manuskriptes. Wir danken Prof. Dr. Wilhelm Krek (ETHZ�rich) f�r die Unterst�tzung der Arbeiten von M.H.

Hintergrundinformationen zu diesem Beitrag sind im WWW unterhttp://dx.doi.org/10.1002/ange.201208889 zu finden.

4583Angew. Chem. 2013, 125, 4583 –4588 � 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

manuelle Validierung der Substanzen 1 und 2 best�tigte derenAktivit�ten im unteren mikromolaren Konzentrationsbereich(IC50-Werte: Chlorhexidin: (21.0� 1.0) mm ; Alexidin: (18.2�1.6) mm ; Abbildung 1B,C, Tabelle 1)und Tabelle S1). DieseWerte liegen deutlich unterhalb des Konzentrationsbereichsdes oralen Desinfektionsmittels Chlorhexidin (1), das alsDigluconat in 0.1%-iger und 0.2%-iger Lçsung (w/v) einge-setzt wird, entsprechend einer Konzentration von 1.1 mm und2.2 mm. Die Wirksamkeit von Alexidin (2) als Desinfekti-onsmittel wurde oft bei einer Konzentration von 0.035% (w/v,in Form des Dihydrochlorids), entsprechend 600 mm, ge-zeigt.[15] Daher sind die Konzentrationen von Chlorhexidinund Alexidin, die in Mundsp�llçsungen genutzt werden,vermutlich mehr als ausreichend, um Bcl-xL in den oberfl�-chenexponierten Zellen in der Mundhçhle zu inhibieren.

Zur Kontrolle der Spezifit�t der beiden Verbindungenwurden diese zun�chst auf ihre Aktivit�ten gegen�ber Pro-tein-Protein-Wechselwirkungen getestet, die �ber die BIR3-Dom�ne von XIAP[16] und die zweite PDZ-Dom�ne vonhDLG1 vermittelt werden.[17] Keine der beiden Protein-Pro-tein-Wechselwirkungen wurden durch die Bisbiguanide si-gnifikant inhibiert (Abbildung 1B, C). Daraufhin wurde eineausf�hrliche Spezifit�tsanalyse gegen eine aus elf Mitgliedernbestehende Kollektion phosphorylierungsabh�ngiger, struk-turell diverser Protein-Protein-Wechselwirkungen durchge-f�hrt.[14] Diese Experimente best�tigten Chlorhexidin alsspezifischen Inhibitor der von Bcl-xL vermittelten Bindung,und zeigten f�r Alexidin noch andere, aber schw�chere Ak-tivit�ten auf (Abbildung 1D,E). Noch eingehendere Spezifi-t�tsanalysen zeigten, dass auch manche andere antiapoptoti-sche Bcl-2-Proteine durch Chlorhexidin und Alexidin in un-terschiedlichem Maße inhibiert werden (Abbildung S4), wasin Anbetracht der redundanten Funktionen antiapoptotischerBcl-2-Proteine vorteilhaft ist.

Auf Grund seines engeren Selektivit�tsprofils wurdeChlorhexidin f�r die thermodynamische Analyse der Bindungder Substanzen an Bcl-xL durch isotherme Titrationskalori-metrie (ITC) ausgew�hlt (Abbildung 1F). In �bereinstim-mung mit der Aktivit�t aus dem Inhibitionsassay wurde mit-tels ITC eine Dissoziationskonstante (Kd) von (10.4� 0.7) mm

bestimmt. Die Bindung an Bcl-xL wird sowohl durch eineenthalpische Komponente (DH =�(2.25�0.25) kcalmol�1)als auch durch eine entropische Komponente (DS = 16.0�

Abbildung 1. Chlorhexidin und Alexidin inhibieren die von Bcl-xL vermittelten Protein-Protein-Wechselwirkungen. F�r den Assay wurde die Dele-tionsmutante Bcl-xL D45–84 verwendet, in der die f�r die antiapoptotische Aktivit�t von Bcl-xL nicht relevante, flexible Region entfernt ist.[18, 19]

A) Strukturen von Chlorhexidin und Alexidin. Aktivit�tsprofil von B) Chlorhexidin und C) Alexidin gegen Bcl-xL, die BIR3-Dom�ne von XIAP und diezweite PDZ-Dom�ne von hDLG1. Aktivit�tsprofil von D) Chlorhexidin und E) Alexidin gegen�ber phosphorylierungsabh�ngigen Protein-Protein-Wechselwirkungen. F) Analyse der Bindung von Chlorhexidin an Bcl-xL mit ITC. Parameter des unteren Diagramms: N = (1.28�0.0278) Stellen; K= (9.05�1.31) � 104

m�1; DH = �(2493�78.14) calmol�1; DS = 14.2 calmol�1 deg�1.

Tabelle 1: Inhibitorische Aktivit�ten der Bisbiguanide 1–3 auf die Wech-selwirkung zwischen Bcl-xL und einem von Bak abgeleiteten BH3-Peptid,analysiert im Fluoreszenzpolarisationsassay.

Aktivit�t

1 IC50 = (21.0�1.0) mm

2 IC50 = (18.2�1.6) mm

3 (28�2) % Inhibition bei 100 mm

.AngewandteZuschriften

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1.7 cal mol�1 deg�1) vermittelt. Diese Daten weisen auf eineKombination elektrostatischer und hydrophober Wechsel-wirkungen zwischen dem Protein und der organischen Sub-stanz hin.

Zur Ermittlung der Bindungsstelle von Chlorhexidin undAlexidin an Bcl-xL wurden 1H,15N-HSQC-Experimente mitdemselben Proteinkonstrukt durchgef�hrt, das bereits zurNMR-basierten, strukturellen Charakterisierung der Bcl-xL/Bak-Wechselwirkung verwendet wurde.[18] Diesem Protein-konstrukt fehlt die aus den Aminos�uren 45–84 bestehendeungefaltete Region, die nicht f�r die antiapoptotische Akti-vit�t von Bcl-xL erforderlich ist, und die C-terminale Trans-membrandom�ne.[18, 19] Beide Verbindungen f�hren zu be-tr�chtlichen Ver�nderungen der chemischen Verschiebungenvon zu großen Teilen identischen Amidresonanzen (sieheAbbildung 2A–C sowie die Abbildungen S5 und S6). Diebeobachteten spektralen �nderungen kçnnen durch dieBindung der kleinen Molek�le in die hydrophobe BH3-Bin-dungstasche von Bcl-xL, in �hnlicher Weise wie BH3-Dom�-nen-Peptide, erkl�rt werden. Die st�rksten Ver�nderungender chemischen Verschiebungen traten in den Helices a2–a5auf, welche die Bindungstasche f�r von BH3-Dom�nen ab-geleitete Peptide oder f�r niedermolekulare Verbindungenbilden (Abbildung S7).[18] Daher liegt es nahe, dass die beidenVerbindungen ebenfalls in die hydrophobe BH3-Bindungs-

tasche von Bcl-xL binden. Diese Daten sind konsistent mit derin den Fluoreszenzpolarisationsassays durch die kleinenMolek�le hervorgerufenen Verdr�ngung von BH3-Dom�-nen-Peptiden aus der Bcl-xL-Bindungstasche (siehe Abbil-dung 1B,C sowie Abbildung S3). Aminos�uren mit starkenVer�nderungen der chemischen Verschiebungen sind unteranderem Phe146, Val126, Glu129, Leu108, Asn136 und Gly94(siehe Abbildung 2C und Abbildung S6). Die ersten vierdieser Aminos�uren sind Teil einer hydrophoben Tasche, inwelche gem�ß einer Rçntgenkristallstrukturanalyse[20] derBcl-xL-Inhibitor ABT-737[11] bindet (siehe Abbildung 2 D undAbbildung S7C). Interessanterweise sagten molekulare Do-ckingexperimente mit AutoDockVina voraus,[21] dass einerder beiden 4-Chlorphenyl-Ringe des Chlorhexidins in diegleiche hydrophobe Tasche von Bcl-xL bindet wie der 4-Chlorbiphenyl-Rest von ABT-737.

Der durch die molekularen Dockingstudien vorgeschla-gene Bindungsmodus wurde durch chemische Synthese undbiochemische Untersuchung von Analoga hinterfragt. DasEntfernen der Chloratome des Chlorhexidin (1) wie im De-schlorohexidin (3) f�hrte zu einer starken Verringerung derBindungsaffinit�t (Tabelle 1). Die im Zuge der Erstellung derStruktur-Wirkungs-Beziehungen gesammelten Daten zeigen,dass geeignete hydrophobe Wechselwirkungen durch die �u-ßeren Substituenten an den Biguaniden f�r die Bindung an

Abbildung 2. Nachweis der Bindung von Chlorhexidin (1) und Alexidin (2) an Bcl-xL D45–84 durch NMR-Titrationen. A) Ver�nderungen der chemi-schen Verschiebungen in 1H,15N-HSQC-NMR-Experimenten durch Bindung von 1 (obere Reihe) und 2 (untere Reihe) an Bcl-xL. B) GraphischeDarstellung der Ver�nderungen der in A) gezeigten chemischen Verschiebungen f�r 1 in der Struktur von ungebundenem Bcl-xL (PDB-Eintrag:1MAZ).[19] Die Grafik wurde mit PyMOL[22] erzeugt. C) Die Amidresonanzen von Phe146, Val126, Leu108, Glu129, Asn136 und Gly94 in 15N-mar-kiertem Bcl-xL D45–84 (100 mm) in Abwesenheit von 1 (schwarz) zeigen starke und Dosis-abh�ngige Ver�nderungen der chemischen Verschiebun-gen bei Zugabe von 1 (50 mm, blau; 100 mm, magenta; 200 mm, orange; 400 mm, gr�n). D) �berlagerung der Dockingpose von 1 (Kohlenstoffato-me rosafarben dargestellt) mit der Cokristallstruktur von ABT-737 (Kohlenstoffatome gr�n dargestellt) gebunden an Bcl-xL (PDB-Eintrag: 2YXJ).[20]

Aminos�uren, f�r die Ver�nderungen der chemischen Verschiebungen in (C) gezeigt sind, sind wie in (B) eingef�rbt.

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Bcl-xL notwendig sind, und dass k�rzere Linkereinheitenzwischen den beiden Biguaniden gut toleriert werden (Ta-belle S1).

Da die in vielen Tumorzellen vorliegende �berexpressionvon Bcl-xL deren Apoptoserate verringert, wurde die Wir-kung von 1 und 2 auf die Apoptoserate von Tumorzellen ausoralen Geweben n�her untersucht. Deschlorohexidin (3)diente aufgrund der hohen strukturellen �hnlichkeit zumspezifischeren Inhibitor 1 und seiner signifikant geringerenAktivit�t in vitro als Negativkontrolle. Drei Plattenepithel-karzinom-Zelllinien der Zunge (SCC-4, SCC-9, SCC-15) undzwei Rachenkarzinom-Zelllinien (FaDu und Detroit 562)wurden mit den beiden Verbindungen behandelt, und diedurch irreversiblen DNA-Abbau gekennzeichnete Apoptosemittels TUNEL-Assay visualisiert (Abbildung 3A). Sowohl1 als auch 2, aber nicht die Negativkontrolle 3, induzierten dief�r die Apoptose charakteristischen DNA-Strangbr�che inallen f�nf Zelllinien (siehe Abbildung 3B,C und Abbil-dung S9).

Antiapoptotische Proteine der Bcl-2-Familie wie Bcl-xL

inhibieren den intrinsischen Apoptoseweg durch Bindung

und Blockierung proapoptotischer Bcl-2-Proteine. KleineMolek�le, die eine Aufhebung der Inhibition durch die an-tiapoptotischen Bcl-2 Proteine bewirken, ermçglichen dieOligomerisierung der proapoptotischen Bcl-2 Proteine Bakund Bax, die in der Mitochondrienmembran lokalisiert sind.Dadurch kommt es zur Depolarisierung der Mitochondrien-membran und Induktion der Apoptose �ber den intrinsischenSignalweg. Um zu kl�ren, ob die durch Chlorhexidin undAlexidin induzierte Apoptose �ber diesen intrinsischen Si-gnalweg verl�uft, wurde ein mitochondrialer Membrande-polarisierungs-Assay mit denselben f�nf Tumorzellliniendurchgef�hrt, die auch f�r den TUNEL-Assay verwendetwurden. Der Membrandepolarisierungs-Assay beruht auf derTatsache, dass der kationische Farbstoff Tetramethylrhoda-minethylester (TMRE) in Zellen mit intakten, aktiven Mi-tochondrien schnell akkumuliert, nicht aber in apoptotischenZellen mit depolarisierter Mitochondrienmembran (Abbil-dung 4A). 1 und 2 bewirkten eine starke Reduktion derTMRE-Einlagerung, die durch Depolarisierung der Mito-chondrienmembran und darauffolgende Induktion der Apo-ptose durch die Substanzen erkl�rt werden kann (siehe Ab-bildung 4 B,C und Abbildung S10). Dagegen verursachteDeschlorohexidin (3), das in vitro eine geringe Aktivit�t ge-gen�ber Bcl-xL aufweist, nur eine deutlich geringere Reduk-tion der TMRE-Einlagerung.

Um weitere Belege daf�r zu erbringen, dass die Induktionder Apoptose in den Tumorzellen zumindest teilweise durchdie Inhibition der Bcl-xL/Bak-Wechselwirkung hervorgerufenwird, wurde ein Coimmunpr�zipitations-Assay in FaDu-Zellen durchgef�hrt (Abbildung S11). Dieser Assay best�-tigte, dass sowohl 1 als auch 2 die Bindung zwischen Bcl-xL

und Bak hemmen, wohingegen Verbindung 3 nur einen ge-ringen Einfluss hatte. Die Daten der zellul�ren Assays bele-gen die F�higkeit von 1 und 2 zur Induktion der Apoptose inTumorzelllinien aus humanen oralen Geweben �ber den in-trinsischen Signalweg und deuten darauf hin, dass dieserEffekt zumindest teilweise durch die Hemmung von Bcl-xL

hervorgerufen wird. Unsere Daten best�tigen fr�here Un-tersuchungen, welche von der Induktion des Zelltodes durchVerbindung 1 in L929-Fibroblasten[23] sowie der Apoptose-induzierenden Aktivit�t von 2 auf Tumorzelllinien des Kopf-und Nackenbereiches, einschließlich FaDu-Zellen, berich-ten.[24]

Um festzustellen, ob 1 und 2 bevorzugt Tumorzellen ge-gen�ber nichttransformierten Zellen angreifen, wurde einZellviabilit�ts-Assay an SCC-4- und FaDu-Zellen, sowie annormalen humanen Vorl�uferzellen des Zahnfleischs(HGEP) durchgef�hrt. Die Zellviabilit�t der beiden geteste-ten Tumorzelllinien war signifikant st�rker durch 1 und 2beeintr�chtigt als die der nichttransformierten Zellen (Ab-bildung S12). Dies legt nahe, dass es einen therapeutischbrauchbaren Konzentrationsbereich f�r die beiden Verbin-dungen geben kçnnte. Unser Ergebnis ist in �bereinstim-mung mit dem beschriebenen Fehlen der Zytotoxizit�t von 2gegen�ber prim�ren Inselzellen des Pankreas[25] und der be-vorzugten Inhibition von Krebszellen gegen�ber nichttrans-formierten Zellen durch 2[24] und bietet eine molekulare Er-kl�rung f�r die letztere Beobachtung.

Abbildung 3. Chlorhexidin (1) und Alexidin (2) induzieren Apoptose inTumorzelllinien der Zunge und des Rachens, analysiert durch einTUNEL-Assay. A) Prinzip des TUNEL-Assays. B) Die durch Behandlungder Zellen mit den Verbindungen f�r 24 h verursachten, f�r die Apo-ptose charakteristischen DNA-Strangbr�che sind markiert (rot). Zell-kerne wurden mit DAPI angef�rbt (blau). Gezeigt sind repr�sentativeFluoreszenzbilder. Maßstabsbalken: 10 mm. C) Quantifizierung der inB) und in Abbildung S9 gezeigten Experimente. Die Daten zeigenDurchschnittswerte und Standardabweichungen von im Triplikatdurchgef�hrten Experimenten. Mindestens 100 Zellen wurden pro Ex-periment und Bedingung analysiert. ** p<0.01; *** p<0.001 (t-Testgegen DMSO-Kontrolle).

.AngewandteZuschriften

4586 www.angewandte.de � 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Angew. Chem. 2013, 125, 4583 –4588

Wir haben das antiapoptotische Protein Bcl-xL als Ziel-protein zweier Wirkstoffe aus oralen Desinfektionsmittelnidentifiziert. Unserer Kenntnis nach ist dies der erste Bericht,der mittels zellbasierter mechanistischer Daten belegt, dassSubstanzen, die in den Industrienationen im gegenw�rtigenallt�glichen menschlichen Gebrauch sind, einen hemmendenEffekt auf eine krankheitsrelevante Protein-Protein-Wech-selwirkungen im physiologisch relevanten Konzentrations-bereich aus�ben kçnnen. Unsere Ergebnisse legen Krebser-krankungen als potenzielle neue therapeutische Indikationf�r bekannte orale Desinfektionsmittel nahe. W�hrend dieklinische Zulassung des ersten orthosterischen niedermole-kularen Inhibitors einer intrazellul�ren Protein-Protein-Wechselwirkung noch aussteht, zeigt unsere Entdeckung,dass die Hemmung von Protein-Protein-Wechselwirkungenein potenzieller Wirkmechanismus mancher bereits verwen-deter Therapeutika sein kçnnte. Wir glauben, dass unsere

Daten einen betr�chtlichen Einfluss auf die Wahrnehmungvon Protein-Protein-Wechselwirkungen als relevante Ziel-strukturen f�r niedermolekulare organische Molek�le habenwerden.

Eingegangen am 6. November 2012,ver�nderte Fassung am 24. Dezember 2012Online verçffentlicht am 19. M�rz 2013

.Stichwçrter: Apoptose · Inhibitoren · Protein-Protein-Wechselwirkungen · Tumortherapeutika · Wirkstoff-Forschung

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Abbildung 4. Chlorhexidin (1) und Alexidin (2) induzieren die Depola-risierung der Mitochondrienmembran in Tumorzelllinien der Zungeund des Rachens. A) Prinzip des Assays. B) Die mitochondriale Einla-gerung des Fluoreszenzfarbstoffes Tetramethylrhodaminethylester(TMRE) ist in Zellen, die 1 und 2 f�r 24 h ausgesetzt waren, stark re-duziert, w�hrend die der Substanz 3 ausgesetzten Zellen signifikantgeringere mitochondriale Einlagerung von TMRE zeigen. EinzelneZellen wurden nach TMRE-Gehalt (x-Achse) und Zellgrçße (Vorw�rts-streulicht, y-Achse) per Durchflusszytometrie sortiert. Die Experimentewurden im Triplikat durchgef�hrt; repr�sentative Durchflusszytometrie-bilder sind gezeigt. C) Quantifizierung der in B) und Abbildung S10 ge-zeigten Experimente. Die Daten bezeichnen Mittelwerte und Standard-abweichungen der im Triplikat durchgef�hrten Experimente. * p<0.05;** p<0.01; *** p<0.001 (t-Test der Substanzen gegen DMSO-Kon-trolle). ### p<0.001 (t-Test von 30 mm 1 gegen 30 mm 3). +++ p<0.001(t-Test von 10 mm 2 gegen 10 mm 3).

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