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Deconstructing precision signaling crosstalk regulated by native reactive electrophiles

English title Deconstructing precision signaling crosstalk regulated by native reactive electrophiles
Applicant Aye Yimon
Number 184729
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut des sciences et ingénierie chimiques EPFL - SB - ISIC
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Biochemistry
Start/End 01.04.2019 - 31.03.2023
Approved amount 846'720.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Biochemistry
Cellular Biology, Cytology
Molecular Biology
Organic Chemistry

Keywords (9)

Redox Signaling; Lipid-Derived Electrophiles; HaloTag; Cysteome Regulation; Electrophile Signaling; Reactive Electrophilic Species; 4-Hydroxynonenal; Covalent Inhibitors; Chemical Biology

Lay Summary (French)

Lead
Notre objectif est de comprendre les mécanismes moléculaires de la diaphonie de la signalisation régulée par des espèces électrophiles réactives (RES) et d'appliquer ces connaissances pour identifier de nouvelles cibles moléculaires et des modulateurs des voies de signalisation spécifiques / essentielles de la molécule.
Lay summary

Les cellules ont de nombreux mécanismes de communication entre les différentes protéines. Ces communications surviennent typiquement sous la forme de différentes modifications chimiques, comme : l’ubiquitination, un mode de communication enclenchant généralement la destruction d’une protéine spécifique ou la phosphorylation, qui orchestre plusieurs changements essentiels dans la vie de la cellule, comme la croissance, les mouvements et la mort. Toutes ces modifications chimiques sont dirigées par les enzymes et leurs effets sont manifestés par un changement d’activité ou par une autre propriété à l’intérieur des protéines cibles. En raison de leur capacité à catalyser la formation de liaisons chimiques ou de réactions spécifiques et à modifier ainsi le destin des cellules, les enzymes sont les cibles médicamenteuses les plus courantes. Il existe un autre moyen de communication cellulaire, sortant de la norme. Ce moyen de communication n'est pas régi par des enzymes et se produit lorsqu'une protéine réactive établit une liaison chimique avec un composé chimique naturel en l'absence d'une autre assistance. Cette réaction elle-même déclenche des processus en aval. Ainsi, les protéines cibles de ce procédé de signalisation possèdent à la fois l’aptitude à réagir avec des composés réactifs et l’aptitude à induire des modifications de la signalisation. La combinaison de ces deux propriétés dans une protéine singulière basée sur ces protéines est idéale pour la découverte de médicaments. Nous étudierons ici 3 protéines capables de réagir de cette manière. La compréhension obtenue peut être appliquée au développement de médicaments ou à la prédiction de protéines possédant ces qualités désirées.

Direct link to Lay Summary Last update: 01.04.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

1. SUMMARY OF THE RESEARCHOur goal is to understand the molecular mechanisms of signaling crosstalk regulated by native reactive electrophilic species (RES), and apply this knowledge to identify novel molecular targets and small-molecule modulators of specific/essential signaling pathways. The resurgence of covalent electrophilic drugs has propelled the 'cysteome'->200,000 protein-cysteines-to the frontiers of research. This renewed interest in electrophilic pharmacophores has also spurred the development of proteomics tools that are capable of rapidly profiling reactive/ligandable cysteines. Despite these revolutionary advances, we still fall short in direct identification of low-occupancy cysteine modifications with spatiotemporal precision, and simultaneously interrogating the precise consequences of individual on-target modifications, against the backdrop of an unperturbed cell. Our research broadly addresses these unmet needs, and this proposal targets three key Subprojects: I. Locale-specific sensing by CDK9 kinase in regulating transcriptional elongation. One latest application of our spatially-targeted RES-sensor-mapping technology led to identification of sensors functioning specifically in locales where only a small percentage of the corresponding protein resides. Among our hits was CDK9, a disease-relevant kinase, active in and localized mainly to the nucleus; yet, CDK9 senses RES exclusively only in the cytosol. We will investigate (1) the molecular basis underpinning this intriguing finding; and (2) how this cytosol-specific sensing impinges on the CDK9-nuclear activity, namely, RNA-pol-II-mediated transcriptional elongation. Building on this work, we will develop CDK9-specific covalent inhibitors tapping into its privileged sensing.II. Privileged RES-sensor-cysteine acquisition in the hydrolase SAHH. Despite the latest effort expended, our ability to rationally predict RES-sensing activity and understand evolution of RES-sensing is limited. Many reports have identified sensors in diverse model organisms, and extended this logic to man, primarily through sequence-conservation analysis. However, systematic evaluations of RES-sensing ability across species remain scant. Our latest high-throughput-screen for native RES sensors in live C. elegans has uncovered the hydrolase SAHH to be a privileged sensor of a native RES, 4-hydroxynonenal (HNE). Intriguingly, human-SAHH senses HNE through a cysteine absent in worms, rendering SAHH potentially paradigmatic for RES-sensing evolution. The high conservation of SAHH from worms to humans makes this a tractable system to begin to understand the design principles for RES-sensing and evolved functional cysteines. III. Profiling and simultaneously decoding target-specific RES-signaling axes modulated by novel electrophilic pharmacophores. Recognizing that biocompatible light-driven release of RES/covalent ligands remains of limited scope, we propose new technologies to liberate emerging electrophilic pharmacophores, based on the approved multiple-sclerosis drug, Tecfidera. We will demonstrate the versatility and utility of these toolsets by identifying and understanding the kinetically-privileged sensors, and the pathways that their RES-modified states regulate at individual protein resolution and with spatiotemporal precision.
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