BIOTECNOLOGIE FARMACOLOGICHE 2010-11 LEZIONE 14 CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN BIOTECNOLOGIE DEL FARMACO Adriana Maggi.

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1 BIOTECNOLOGIE FARMACOLOGICHE 2010-11 LEZIONE 14 CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN BIOTECNOLOGIE DEL FARMACO Adriana Maggi

2 INSULATOR ( MAR ) INSULATOR ( MAR ) light luciferin + ATP = oxyluciferin + AMP + TK ERE 2x firefly luciferase +/- ERE-Luc reporter mouse The ERE-Luc reporter mouse: a model to study of ER transcriptional activity Ciana et al., 2001 ERE kinase-dependent activation

3 ERE-Luc mouse MDP E Estradiol ( pg /ml) 10 2 0 3 0 4 0 5 0 day 1day 2day3day 4 S ESTRUS E 2 (pg/ml) 10 20 30 40 50 MDPE Luciferase activity in adult, cycling females Ciana et al, Nature Ned., 2003

4 THE COMPLEXITY OF ESTROGEN ACTION ERE G-protein, IP3K... SP1 NFKB AP1 THE COMPLEXITY OF ESTROGEN TARGETS REPRODUCTIVE SYSTEM - male and female gonads - hypothalamus and pituitary SKELETAL SYSTEM VASCULAR SYSTEM - endothelium - smooth muscle cells RESPIRATORY SYSTEM IMMUNE SYSTEM NERVOUS SYSTEM - central - peripheral

5 CNS cardiovascular reproductive bone ERE SP1 NFKB AP1 tissue-specific coregulators growth factors P ER COMPLEXITY OF ACTION and A NEW CLASS OF DRUGS: Selective Estrogen Recepor Modulators

6 ESTROGEN REPLACEMENT THERAPY The efficacy of SERMs on estrogen receptor transcriptional activity was measured in a model of surgical menopause (ovx mice) SERMs ability to replace the natural hormone was evaluated by comparison with ER activity in healthy, cycling mice

7 Reproductive organs (mammari glands and vagina) Muscle-Skeletal System Hepatic area Measuring bioluminscence in the ERE-Luc reporter mouse Thymic area Intestine Bioluminescence after 6h treatment with 15 -estradiol (50ug/kg)

8 pellet days of treatment CONTROLS REFERENCE DRUG DRUG OF INTEREST Manual In vivo analysis of photon emission Automatic Rando et al. 2009

9 REPORTER MICE TO STUDY DRUG ACTION IN VIVO VAGINA CHEST Vehicle PCUD 3mg/kg BZA 10mg/kg BZA 10mg/kg + PCUD 3mg/kg Raloxifene 10mg/kg Luciferase enzymatic activityPhoton emission Biserni et al, in preparation

10 °** Vehicle PCUD 3mg/kg BZA 10mg/kg BZA 10mg/kg + PCUD 3mg/kg Raloxifene 10mg/kg Effects of SERMs on ER activity – in vivo imaging CHRONIC treatment (21 days) Biserni et al, in preparation

11 Effects of SERMs on ER activity – in vivo imaging CHRONIC treatment (21 days) Vehicle PCUD 3mg/kg BZA 10mg/kg BZA 10mg/kg + PCUD 3mg/kg Raloxifene 10mg/kg Biserni et al, in preparation

12 LIMB TAIL ACUTE CHRONIC Rando et al, Mol. Endocrinol. 2010

13 HEPATIC AREAABDOMEN ACUTE CHRONIC Rando et al, Mol. Endocrinol. 2010

14 SERCHING FOR NOVEL MODALITIES TO MEASURE THE EFFICACY OF SERMs AUC N° peaks, amplitude, frequency

15 Peaks/21d Period (d) GENITAL AREASKELETAL AREA * * * * * * * * * * Amplitude * * * * * * * * * * * * D A B C E AUC Potency Rando et al, Mol. Endocrinol. 2010

16 PHENETICS OF DRUG ACTION THE APPLICATION OF AGGLOMERATIVE HIERARCHICAL CLUSTERING (AGGLOMERATIVE NESTING version 1.02 )

17 a b DEGREE OF FUNCTIONAL CORRELATION AMONG THE PARAMETERS SELECTED Rando et al, Mol. Endocrinol. 2010

18 Space-temporal analysis of drug action in living animals clustering data to generate novel families of compounds Genital area Skeletal area Rando et al, Mol. Endocrinol. 2010

19 Genital area Skeletal area Reverse Medicinal Chemistry A B C Cl Rando et al, Mol. Endocrinol. 2010

20 …IL MEDICO ADOPRERA BENE LE MEDICINE QUANDO LUI CONOSCERA CHE COSA E OMO, CHE COSA E VITA E COMPLESSIONE, CHE COSA E SANITA…

21 ERE-Luc mouse P1 18.516.514.513.5 12.5 dpc (day post conception)post-natal day 1 endoderm mesoderm ectoderm imaging IHC A B CD E F G H C – intestine 20x D – bone 40x E – heart 40x F – forebrain 10x G – moustache 40x H – skin 20x 16.5 dpc GP Rando, 2007

22 18.516.514.513.515.5 ERE-Luc mouse ER is transcriptionally active at day 14.5 pc dpc (day post conception)

23 Suckling Mice Pregnancy & Embryo Development 13.5 14.5 15.5 16.5 17.5 18.5 19.5 12.5 DAY 18.5 DAY 16.5 DAY 13.5 DAY 14.5 DAY 15.5 DAY 1 DAY 10 Immature Mice Adult Mice LIFE CYCLE ERE-Luc mice to understand ER involvement in mammals physiopathology

24 The whole is more than the sum of its parts Aristotle (384 BC – 322 BC) Methapysics The real impact of molecular engineering on drug discovery MODERN PHARMACOLOGY NEEDS TO REVISIT ANIMAL MODELS

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26 FARMACI BIOTECNOLOGICI PROTEINE TERAPEUTICHE DI PRIMA E SECONDA GENERAZIONE ACIDI NUCLEICI per la regolazione della espressione di specifici geni

27 VANTAGGI NELLUTILIZZO DI FARMACI ANTI-ACIDI NUCLEICI BERSAGLIO MOLECOLARE PIU DEFINITO Numero di proteine intracellulari: 1000-100000 Numero di RNA: 100-10000 Numero di geni: 1-2 AZIONE MOLTO SPECIFICA Bersagli possono essere sequenze anche uniche nel genoma Utilizzando interazioni con altri nucleotidi si possono sfruttare i vantaggi della complementarità tra due catene secondo il modello di Watson e Crick

28 ESPRESSIONE GENICA IN EUCARIOTE: SEQUENZA DI EVENTI 3 TRASCRIZIONE MODIFICAZ. TP TRADUZIONE RNA, trascritto primario Capping e poliadenilazione Splicing o maturazione Fuoriuscita dal nucleo riconoscimento da parte dei ribosomi traduzione Modificazioni post-traduzionali

29 La rilevanza dei processi di regolazione della espressione genica nel disegno di nuovi farmaci Lomeostasi cellulare è mantenuta da un efficiente controllo della trascrizione genica che viene assicurato da un complesso circuito molecolare che utilizza fattori di trascrizione individali, lapparato basale di trascrizione e i complessi multiproteici coregolatori della trascrizione.

30 La cromatina ha un ruolo fondamentale nella reglazione della espressione genica e la capacità degli istoni di legare il DNA è regolata da enzimi intranucleari che possono apportare modificazioni post- traduzionali soprattutto ai residui di lisina e arginina posti nel dominio N-terminale delle proteine istoniche Modificazioni degli istoni: acetilazione, fosforilazione, metilazione, ubiquitinazione

31 MODIFICAZIONI POST-TRADUZIONALI DEGLI ISTONI Zhang Y, Reinberg D Genes Dev. 2001;15:2343-2360

32 La metilazione degli istoni aumenta lo stato di idrofobicità e la basicità delle porzioni N terminali degli istoni: questo ne aumenta laffinità per proteine specifiche e fattori di trascrizione. Le metilasi necessitano di cofattori: es. la s- adenosilmetionina Generalmente la metilazione degli istoni si associa a repressione della espressione genica, tuttavia ci sono esempi in cui la metilazione si associa a attivazione della espressione genica (metilazione lella lisina 4 dellistone 3, il coattivatore CARM1 è una metiltransferasi) Metilazione degli istoni

33 PROCESSI DI ACETILAZIONE E DEACETILAZIONE SONO IMPORTANTI NELLA REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA DELLA CROMATINA ESPRESSIONE GENICA E GENERALMENTE ASSOCIATA CON ACETILAZIONE