Skeletal muscle protein structural dynamics and function drive applications to drug discovery

骨骼肌蛋白结构动力学和功能驱动药物发现的应用

基本信息

  • 批准号:
    10650572
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 65.22万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-05-01 至 2028-04-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Our goal is to develop small-molecule drugs for treatment of skeletal muscle disorders related to dysregulation of intracellular calcium, focusing on specific proteins in the sarcoplasmic reticulum (SR). Each Aim starts with the design of fluorescent biosensors (specific SR proteins labeled with fluorescent donor and acceptor), to be used in high-throughput screening (HTS) of small molecules. A key innovation is our recently developed HTS approach based on fluorescence lifetime (FLT) detection of protein structural changes by fluorescence resonance energy transfer (FRET). Our combination of FRET biosensor engineering with unique FLT detection has produced an unprecedented combination of sensitivity, specificity, speed, and precision in protein structure-based studies of mechanism for drug discovery. We previously validated this approach through applications to cardiac muscle. We now focus on skeletal muscle, targeting the two key SR proteins involved in Ca regulation, the Ca release channel (RyR1) and the calcium pump (SERCA1a). Aim 1: Targeting RyR1 leak reduction. Our biosensor is based on FRET between two regulatory proteins (FKBP12.0 and CaM) bound to RyR1. In pilot screens, we have shown that this FLT-based FRET assay can detect small molecules that restore aberrant RyR1 function, in which the Ca channel leaks Ca from the SR into the cytoplasm, inducing myopathies. We will carry out larger-scale screening, to identify new drug candidates, then use cellular and in vivo muscle assays to test the reversal of undesirable calcium leak in fibers and mice. Aim2: Targeting SERCA1a activation. We seek a complementary solution to combat Ca leak – enhancing SERCA1a activity to pump Ca back into the SR lumen. This approach also targets factors (e.g., mutation or oxidation) that impair SERCA1a activity. We will use two complementary approaches, building on our previous studies with SERCA2a (cardiac), with fluorescent biosensors expressed in live cells. (A) We will use an intramolecular FRET biosensor (donor and acceptor attached to different domains of SERCA1a), to screen a small-molecule library to detect compounds that bind to SERCA, alter enzyme structure, and activate Ca transport. (B) We will use an intermolecular biosensor, with donor on SERCA1a and acceptor on the SERCA1a regulator sarcolipin (SLN), to detect compounds that activate the enzyme by uncoupling the inhibitory effects of SLN. We will evaluate potency and efficacy of drug candidates, using assays on myofibers and muscles, both in vitro and in vivo in mouse models including pre-clinical longitudinal drug testing. We have assembled a multi-PI team with complementary expertise and decades of successful collaboration, led by David Thomas (SERCA1a, FLT-FRET), Razvan Cornea (RyR1, biosensor engineering), and Dawn Lowe (skeletal muscle functional analysis). We will also be joined by collaborators with complementary expertise in medicinal chemistry (Aldrich) and myofiber Ca assays (Launikonis), and two consultants with unique expertise on animal models of disorders in muscle Ca regulation (Dirksen and Hamilton).
我们的目标是开发小分子药物来治疗与 细胞内钙的失调,重点是肌​​质网(SR)中的特定蛋白质。 每个目标都始于荧光生物传感器的设计(特定的SR蛋白用荧光供体标记 和受体),用于小分子的高通量筛选(HTS)。一个关键的创新是我们最近的 基于荧光寿命(FLT)检测蛋白质结构变化的开发HTS方法 荧光共振能量转移(FRET)。我们将FRET生物传感器工程与 独特的FLT检测产生了灵敏度,特异性,速度和 基于蛋白质结构的药物发现机制的精度。我们以前验证了这一点 通过应用到心脏肌肉的方法。我们现在专注于骨骼肌,针对两个键SR 参与CA调节的蛋白质,CA释放通道(RYR1)和钙泵(SERCA1A)。 AIM 1:靶向RYR1泄漏减少。我们的生物传感器基于两个调节蛋白之间的fret (FKBP12.0和CAM)与RYR1结合。在飞行员屏幕中,我们已经证明了基于FLT的FRET分析可以 检测恢复异常RYR1功能的小分子,其中CA通道从SR泄漏到SR中 细胞质诱导肌病。我们将进行大规模筛查,以确定新的候选药物, 然后使用细胞和体内肌肉测定测试纤维和小鼠中不良钙泄漏的逆转。 AIM2:靶向SERCA1A激活。我们寻求完整的解决方案来对抗CA泄漏 - 增强 SERCA1A活性将Ca泵回SR管腔。这种方法还针对因素(例如突变或 氧化)会损害SERCA1A活性。我们将使用两种完整的方法,基于我们以前的 对SERCA2A(心脏)的研究,在活细胞中表达的荧光生物传感器。 (a)我们将使用 分子内的FRET生物传感器(附着在SERCA1A不同域的供体和受体),以筛选A 小分子库检测与SERCA结合,改变酶结构并激活CA的化合物 运输。 (b)我们将使用分子间生物传感器,并在SERCA1A上使用供体,在SERCA1A上使用受体 调节剂量肌蛋白(SLN),以检测通过解开抑制作用来激活酶的化合物 SLN。我们将使用对肌纤维和肌肉的测定进行评估候选药物的效力和效率 在包括临床前纵向药物测试的小鼠模型中的体外和体内。 我们已经组建了一支具有完善专业知识和成功合作的多人PI团队, 由David Thomas(Serca1a,Flt-Fret),Razvan Cornea(RYR1,BioSensor Engineering)和Dawn Lowe领导 (骨骼肌功能分析)。我们还将与拥有完善专业知识的合作者一起 药物化学(Aldrich)和肌纤维CA分析(Launikonis),以及两名具有独特专业知识的顾问 关于肌肉CA调节中疾病的动物模型(Dirksen和Hamilton)。

项目成果

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