Target identification and validation of natural products or synthetic compounds by activity-based protein profiling

Natural products have played an important role in the history of modern drug discovery, since penicillin was discovered by Scottish scientist Alexander Fleming in 1927. Afterwards, scientists concentrated on the isolation or extraction of the bioactive substrates from natural products. From 1950s, a number of scientists started not only to isolate or extract something, but also to analyze the chemical structure of it with the advent of NMR spectroscopy to date. With the development of it, researchers have been able to synthesize natural products or synthetic compounds in the lab, which could be leads or candidates for drug development. Activity-based protein profiling (ABPP) is a very powerful tool of chemical proteomics. And the ABP probe is derived from its original bioactive-compound by introducing cell permeable moieties such as a terminal alkyne or an azide, thereby being tagged to a reporter group which enables isolation of probe-labeled protein(s). This thesis describes the entire process of early part of drug discovery, from discovery and synthesis of natural products, artificial compounds, and their ABP probes to target identification and validation by the ABPP experiment and other biological assays. The first part of the thesis covers synthetic approaches towards the total synthesis of smenothiazole A, B and their probes. Next, degrasyn originally developed as the human deubiquitination enzyme (DUB) inhibitor was repurposed as an antimicrobial compound, and its activity against gram positive bacteria, Staphylococcus aureus (S. aureus) and its methicillin-resistant strains was confirmed. Subsequently, a polypharmacological mode-of-action was corroborated by the ABPP experiments, competitive isoDTB-ABPP, and global proteome analysis. Last, a hybrid of the indolin-2-one and the nitroimidazole compound, LK1602, exhibited excellent activity against both gram positive and negative bacteria, and its ABP probes preserves the bioactivities against S. aureus. Theref
Seit der Entdeckung des Penicillins 1927 durch Alexander Fleming ist die enorme Bedeutung von Naturstoffen in der Medikamentenentwicklung bekannt. Die Isolation und Extraktion solcher aktiven Substanzen steht seither im Mittelpunkt vieler Wissenschaftler. Durch moderne Methoden wie der NMR-Spektroskopie konnten die Strukturen auch aufgeklärt werden. Damit sind sie synthetisch zugänglich und potentielle Kandidaten für die Medikamentenentwicklung. Aktivitäts-basiertes Protein (ABPP) ist eine leistungsfähige Methode für chemische Proteomik. Dazu wird eine aktivitäts-basierte Sonde (ABP) von der bioaktiven Ursprungsstruktur abgeleitet, welche zellpermeabel ist und eine Alkin- oder Azid-Funktionalität besitzt, um die gebundenen Zielproteine später durch Affinitätschromatographie isolieren zu können. Diese Arbeit befasst sich mit dem kompletten Prozess der frühen Medikamentenentwicklung, von der Entdeckung und Synthese von Naturstoffen sowie anderen aktiven Molekülen und deren ABP’s, um damit die Zielproteine identifizieren und validieren zu können. Der erste Teil handelt von synthetischen Ansätzen, die Naturstoffe Smenothiazol A, B und deren ABP’s herzustellen. Danach wurde die Aktivität des ursprünglich als Inhibitor des humanen deubiquitinylierungs-Enzyms (DUB) geltende Degrasyn gegenüber gram-positive Staphylococcus aureus und dessen Methicillin-resistente Stämme auf antimikrobielle Eigenschaften getestet. Weiterhin wurde ein polypharmakologischer Wirkungsmechanismus durch konventionelle ABPP- sowie kompetitive isoDTB-ABPP-Experimente und globale Proteomanalysen bestätigt. Zuletzt wird die hervorragende Aktivität der Verbindung LK1602, ein Indolin-2-on Derivat mit einer Nitroimizalol-Einheit, gegen gram-positive als auch gram-negative Bakterien beschrieben. Für die Entschlüsselung der Zielproteine dieser Verbindung wurden abermals ABP’s synthetisiert, wovon zwei Sonden die Aktivität bewahrten und somit in weiteren ABPP-Experimenten zum Einsatz kommen werden.