Laboratoř strukturní biologie

Strukturní biologie a charakterizace vztahů mezi strukturou a funkcí medicínsky významných proteinů

Vedoucí laboratoře: RNDr. Cyril Bařinka, Ph.D.

Laboratoř strukturní biologie (LSB) vznikla v březnu 2010 a naše činnost je směrována do oblasti strukturní biologie (rentgenostrukturní analýzy) a charakterizace vztahů mezi strukturou a funkcí medicínsky významných proteinů. Hlavními směry našeho výzkumu jsou:

1.   Glutamát karboxypeptidasa II (GCPII) – strukturní charakterizace a vývoj nových ligandů a technik cílených na GCPII a její ortology/paralogy.
Lidská glutamátkarboxypeptidasa II (GCPII, E.C. 3.4.17.21) patří do rodiny metaloproteáz, které pro svou aktivitu vyžadují přítomnost dvou iontů zinku v aktivním centru. GCPII je v současnosti testována jako terapeutický cíl v experimentálních modelech neurodegenerativních onemocnění a také jako diagnostický marker rakoviny prostaty v klinické praxi.
 
Cílem našeho výzkumu je objasnit mechanizmy fungování GCPII jak ve zdravém organizmu, tak při patologických stavech, včetně neurodegenerativních poruch a nádorových onemocnění. Více než 40 krystalových struktur uložených v databázi RSCB, které byly vytvořeny s naším přispěním, slouží jako základ rozsáhlého programu zaměřeného na racionální návrh nových nízkomolekulárních inhibitorů GCPII. Mimo těchto projektů se ve spolupráci s předními laboratořemi v Německu a USA aktivně angažujeme ve vývoji látek odvozených od Anticalinů, které mohou být využitelné při detekci nádorů prostaty. Mimo aplikovaného výzkumu se věnujeme důkladnějšímu porozumění základních funkcí GCPII ve zdravém organizmu, včetně neprobádaných funkcí GCPII jako signalizační molekuly nebo chaperonu. K tomuto studiu využíváme mimo lidských a myších modelů také modely C.elegans a kvasinek.

2.   Histon deacetylasy (HDACs) – charakterizace vztahu struktura-funkce a rentgenostrukturní analýza
Acetylace na postranním řetezci lysinu hraje klíčovou roli v celé řadě fyziologických drah a tento reverzibilní proces je regulován protichůdně působícími histon acetyltransferasami (HATs) a histon deacetylasami (HDACs). V současnosti je identifikováno 18 lidských HDACs, které jsou na základě sekvenční homologie rozděleny do čtyř tříd. Naše laboratoř se zabývá studiem zástupců rodiny IIb (HDAC6 a HDAC10) a rodiny IV (HDAC11). Naší snahou je popsat molekulární mechanizmy fungování těchto zajímavých hydroláz a k tomuto účelu využíváme širokou paletu technik od molekulárně biologických přístupů přes biochemické a enzymologické techniky až po sofistikované fyzikálně-chemické metody.

Laboratoř rovněž aktivně spolupracuje s dalšími vědeckými skupinami a při společných projektech využíváme portfolio metod, které jsou v naší laboratory zavedené. Mezi tyto techniky patří heterologní exprese proteinů v nejrůznějších systémech (E.coli, K.lactis, P.pastoris, hmyzí S2 a Hi5 buňky, savčí buňky), enzymatická a fyzikálně-chemická charakterizace purifikovaných proteinů, včetně robotického testování krystalizačních podmínek a řešení krystalových struktur cílových molekul.
 
Více o práci a výsledcích naší laboratoře je možné nalézt na webových stránkách lsb.avcr.cz.
 
Baranová Petra, Mgr.
Bařinka Cyril, RNDr., Ph.D.
+420 325 873 777
Bašta Miroslav
+420 325 873 736
Das Gargi
+420 325 873 736
Havlínová Barbora, Ing.
+420 325 873 778
Jelínková Iva
+420 325 873 731
Komárek Jan, Mgr., Ph.D.
+420 325 873 736
Kutil Zsófia, Ing., Ph.D.
+420 325 873 726
Mikešová Jana, Mgr.
Motlová Lucia, Mgr.
+420 325 873 736
Nedvědová Jana, Mgr.
+420 325 873 736
Nováková Zora, RNDr., Ph.D.
+420 325 873 736
Ondráková Markéta, Mgr.
+420 325 873 774
Shukla Shivam
+420 325 873 774

2020

  • Cardinale, J., Roscher, M., Schaefer, M., Geerlings, M., Benesova, M., Bauder-Wust, U., Remde, Y., Eder, M., Novakova, Z., Motlova, L., Barinka, C., Giesel, F. L., & Kopka, K. (2020). "Development of PSMA-1007 - Related Series of (18)F-Labeled Glu-ureido type PSMA inhibitors." J Med Chem.

  • Hapuarachchige, S., C. T. Huang, M. C. Donnelly, C. Barinka, S. E. Lupold, M. G. Pomper and D. Artemov (2020). "Cellular Delivery of Bioorthogonal Pretargeting Therapeutics in PSMA-Positive Prostate Cancer." Mol Pharm 17(1): 98-108.

  • Henrichs, V., Grycova, L., Barinka, C., Nahacka, Z., Neuzil, J., Diez, S., Rohlena, J., Braun, M., Lansky, Z. (2020). "Mitochondria-adaptor TRAK1 promotes kinesin-1 driven transport in crowded environments." Nature Communications, 11(1), 3123

  • Huang, C. T., Guo, X., Barinka, C., Lupold, S. E., Pomper, M. G., Gabrielson, K., Raman, V., Artemov, D., & Hapuarachchige, S. (2020). Development of 5D3-DM1: A Novel Anti-Prostate-Specific Membrane Antigen Antibody-Drug Conjugate for PSMA-Positive Prostate Cancer Therapy. Mol Pharm, 17(9), 3392-3402/p>

  • Kim, K., H. Kwon, C. Barinka, L. Motlova, S. Nam, D. Choi, H. Ha, H. Nam, S. H. Son, I. Minn, M. G. Pomper, X. Yang, Z. Kutil and Y. Byun (2020). "Novel beta- and gamma-Amino Acid-Derived Inhibitors of Prostate-Specific Membrane Antigen." J Med Chem.

  • Novakova, Z., Belousova, N., Foss, C. A., Havlinova, B., Gresova, M., Das, G., Lisok, A., Prada, A., Barinkova, M., Hubalek, M., Pomper, M. G., & Barinka, C. (2020). "Engineered Fragments of the PSMA-Specific 5D3 Antibody and Their Functional Characterization." Int J Mol Sci, 21(18).

  • Ptacek, J., Zhang, D., Qiu, L., Kruspe, S., Motlova, L., Kolenko, P., Novakova, Z., Shubham, S., Havlinova, B., Baranova, P., Chen, S. J., Zou, X., Giangrande, P., & Barinka, C. (2020). "Structural basis of prostate-specific membrane antigen recognition by the A9g RNA aptamer." Nucleic Acids Research, 48(19), 11130-11145.

  • Shen, S., M. Svoboda, G. Zhang, M. A. Cavasin, L. Motlova, T. A. McKinsey, J. H. Eubanks, C. Barinka and A. P. Kozikowski (2020). "Structural and in Vivo Characterization of Tubastatin A, a Widely Used Histone Deacetylase 6 Inhibitor." ACS Med Chem Lett 11(5): 706-712.

  • Ustinova, K., Z. Novakova, M. Saito, M. Meleshin, J. Mikesova, Z. Kutil, P. Baranova, B. Havlinova, M. Schutkowski, P. Matthias and C. Barinka (2020). "The disordered N-terminus of HDAC6 is a microtubule-binding domain critical for efficient tubulin deacetylation." J Biol Chem.

2019

  • Banerjee, S. R., V. Kumar, A. Lisok, D. Plyku, Z. Novakova, M. Brummet, B. Wharram, C. Barinka, R. Hobbs and M. G. Pomper (2019). "Evaluation of (111)In-DOTA-5D3, a Surrogate SPECT Imaging Agent for Radioimmunotherapy of Prostate-Specific Membrane Antigen." J Nucl Med 60(3): 400-406.

  • Barinka, C., Z. Novakova, N. Hin, D. Bim, D. V. Ferraris, B. Duvall, G. Kabarriti, R. Tsukamoto, M. Budesinsky, L. Motlova, C. Rojas, B. S. Slusher, T. A. Rokob, L. Rulisek and T. Tsukamoto (2019). "Structural and computational basis for potent inhibition of glutamate carboxypeptidase II by carbamate-based inhibitors." Bioorg Med Chem 27(2): 255-264.

  • Knox, T., E. Sahakian, D. Banik, M. Hadley, E. Palmer, S. Noonepalle, J. Kim, J. Powers, M. Gracia-Hernandez, V. Oliveira, F. Cheng, J. Chen, C. Barinka, J. Pinilla-Ibarz, N. H. Lee, A. Kozikowski and A. Villagra (2019). "Selective HDAC6 inhibitors improve anti-PD-1 immune checkpoint blockade therapy by decreasing the anti-inflammatory phenotype of macrophages and down-regulation of immunosuppressive proteins in tumor cells." Sci Rep 9(1): 6136.

  • Kozikowski, A. P., S. Shen, M. Pardo, M. T. Tavares, D. Szarics, V. Benoy, C. A. Zimprich, Z. Kutil, G. Zhang, C. Barinka, M. B. Robers, L. Van Den Bosch, J. H. Eubanks and R. S. Jope (2019). "Brain Penetrable Histone Deacetylase 6 Inhibitor SW-100 Ameliorates Memory and Learning Impairments in a Mouse Model of Fragile X Syndrome." ACS Chem Neurosci 10(3): 1679-1695.

  • Kutil, Z., J. Mikesova, M. Zessin, M. Meleshin, Z. Novakova, G. Alquicer, A. Kozikowski, W. Sippl, C. Barinka and M. Schutkowski (2019). "Continuous Activity Assay for HDAC11 Enabling Reevaluation of HDAC Inhibitors." ACS Omega 4(22): 19895-19904.

  • Kutil, Z., L. Skultetyova, D. Rauh, M. Meleshin, I. Snajdr, Z. Novakova, J. Mikesova, J. Pavlicek, M. Hadzima, P. Baranova, B. Havlinova, P. Majer, M. Schutkowski and C. Barinka (2019). "The unraveling of substrate specificity of histone deacetylase 6 domains using acetylome peptide microarrays and peptide libraries." FASEB J 33(3): 4035-4045.

  • Shen, S., M. Hadley, K. Ustinova, J. Pavlicek, T. Knox, S. Noonepalle, M. T. Tavares, C. A. Zimprich, G. Zhang, M. B. Robers, C. Barinka, A. P. Kozikowski and A. Villagra (2019). "Discovery of a New Isoxazole-3-hydroxamate-Based Histone Deacetylase 6 Inhibitor SS-208 with Antitumor Activity in Syngeneic Melanoma Mouse Models." J Med Chem 62(18): 8557-8577.

  • Tishchenko, G., Morganti, P., Stoller, M., Kelnar, I., Mikešová, J., Kovářová, J., Hašek, J., Kužel, R., Netopilík, M., Kaprálková, L., Špírková, M., Pavlova, E., Chánová, E., Brožová, L., Pekárek, M., Kobera, L., Sedláková, Z., Kubies, D. (2019). Chitin nanofibrils-chitosan composite films: characterization and properties. Bionanotechnology to save the environment. Plant and fishery's biomass as alternative to petrol. P. Morganti. Basel: 191-226.

  • Wu, H., K. Yang, Z. Zhang, E. D. Leisten, Z. Li, H. Xie, J. Liu, K. A. Smith, Z. Novakova, C. Barinka and W. Tang (2019). "Development of Multifunctional Histone Deacetylase 6 Degraders with Potent Antimyeloma Activity." J Med Chem 62(15): 7042-7057.

  • Zessin, M., Z. Kutil, M. Meleshin, Z. Novakova, E. Ghazy, D. Kalbas, M. Marek, C. Romier, W. Sippl, C. Barinka and M. Schutkowski (2019). "One-Atom Substitution Enables Direct and Continuous Monitoring of Histone Deacylase Activity." Biochemistry 58(48): 4777-4789.

2018

  • Kutil, Z., Z. Novakova, M. Meleshin, J. Mikesova, M. Schutkowski and C. Barinka (2018). "Histone Deacetylase 11 Is a Fatty-Acid Deacylase." ACS Chem Biol 13(3): 685-693.

  • Nakajima, R., Z. Novakova, W. Tueckmantel, L. Motlova, C. Barinka and A. P. Kozikowski (2018). "2-Aminoadipic Acid-C(O)-Glutamate Based Prostate-Specific Membrane Antigen Ligands for Potential Use as Theranostics." ACS Med Chem Lett 9(11): 1099-1104.

  • Porter, N. J., S. Shen, C. Barinka, A. P. Kozikowski and D. W. Christianson (2018). "Molecular Basis for the Selective Inhibition of Histone Deacetylase 6 by a Mercaptoacetamide Inhibitor." ACS Med Chem Lett 9(12): 1301-1305.

  • Ptacek, J., J. Nedvedova, M. Navratil, B. Havlinova, J. Konvalinka and C. Barinka (2018). "The calcium-binding site of human glutamate carboxypeptidase II is critical for dimerization, thermal stability, and enzymatic activity." Protein Sci 27(9): 1575-1584.

2017

  • Kopka, K., M. Benesova, C. Barinka, U. Haberkorn and J. Babich (2017). "Glu-Ureido-Based Inhibitors of Prostate-Specific Membrane Antigen: Lessons Learned During the Development of a Novel Class of Low-Molecular-Weight Theranostic Radiotracers." J Nucl Med 58(Suppl 2): 17S-26S.

  • Lv, W., G. Zhang, C. Barinka, J. H. Eubanks and A. P. Kozikowski (2017). "Design and Synthesis of Mercaptoacetamides as Potent, Selective, and Brain Permeable Histone Deacetylase 6 Inhibitors." ACS Med Chem Lett 8(5): 510-515.

  • Novakova, Z., C. A. Foss, B. T. Copeland, V. Morath, P. Baranova, B. Havlinova, A. Skerra, M. G. Pomper and C. Barinka (2017). "Novel Monoclonal Antibodies Recognizing Human Prostate-Specific Membrane Antigen (PSMA) as Research and Theranostic Tools." Prostate 77(7): 749-764.

  • Rais, R., J. Vavra, T. Tichy, R. P. Dash, A. J. Gadiano, L. Tenora, L. Monincova, C. Barinka, J. Alt, S. C. Zimmermann, C. E. Slusher, Y. Wu, K. Wozniak, P. Majer, T. Tsukamoto and B. S. Slusher (2017). "Discovery of a para-Acetoxy-benzyl Ester Prodrug of a Hydroxamate-Based Glutamate Carboxypeptidase II Inhibitor as Oral Therapy for Neuropathic Pain." J Med Chem 60(18): 7799-7809.

  • Skultetyova, L., K. Ustinova, Z. Kutil, Z. Novakova, J. Pavlicek, J. Mikesova, D. Trapl, P. Baranova, B. Havlinova, M. Hubalek, Z. Lansky and C. Barinka (2017). "Human histone deacetylase 6 shows strong preference for tubulin dimers over assembled microtubules." Sci Rep 7(1): 11547.

  • Tavares, M. T., S. Shen, T. Knox, M. Hadley, Z. Kutil, C. Barinka, A. Villagra and A. P. Kozikowski (2017). "Synthesis and Pharmacological Evaluation of Selective Histone Deacetylase 6 Inhibitors in Melanoma Models." ACS Med Chem Lett 8(10): 1031-1036.

2016

  • Barinka, C., J. Ptacek, A. Richter, Z. Novakova, V. Morath and A. Skerra (2016). "Selection and characterization of Anticalins targeting human prostate-specific membrane antigen (PSMA)." Protein Eng Des Sel 29(3): 105-115.

  • Bumba, L., J. Masin, P. Macek, T. Wald, L. Motlova, I. Bibova, N. Klimova, L. Bednarova, V. Veverka, M. Kachala, D. I. Svergun, C. Barinka and P. Sebo (2016). "Calcium-Driven Folding of RTX Domain beta-Rolls Ratchets Translocation of RTX Proteins through Type I Secretion Ducts." Mol Cell 62(1): 47-62.

  • Conway, R. E., C. Rojas, J. Alt, Z. Novakova, S. M. Richardson, T. C. Rodrick, J. L. Fuentes, N. H. Richardson, J. Attalla, S. Stewart, B. Fahmy, C. Barinka, M. Ghosh, L. H. Shapiro and B. S. Slusher (2016). "Prostate-specific membrane antigen (PSMA)-mediated laminin proteolysis generates a pro-angiogenic peptide." Angiogenesis 19(4): 487-500.

  • Dannoon, S., T. Ganguly, H. Cahaya, J. J. Geruntho, M. S. Galliher, S. K. Beyer, C. J. Choy, M. R. Hopkins, M. Regan, J. E. Blecha, L. Skultetyova, C. R. Drake, S. Jivan, C. Barinka, E. F. Jones, C. E. Berkman and H. F. VanBrocklin (2016). "Structure-Activity Relationship of (18)F-Labeled Phosphoramidate Peptidomimetic Prostate-Specific Membrane Antigen (PSMA)-Targeted Inhibitor Analogues for PET Imaging of Prostate Cancer." J Med Chem 59(12): 5684-5694.

  • Novakova, Z., K. Wozniak, A. Jancarik, R. Rais, Y. Wu, J. Pavlicek, D. Ferraris, B. Havlinova, J. Ptacek, J. Vavra, N. Hin, C. Rojas, P. Majer, B. S. Slusher, T. Tsukamoto and C. Barinka (2016). "Unprecedented Binding Mode of Hydroxamate-Based Inhibitors of Glutamate Carboxypeptidase II: Structural Characterization and Biological Activity." J Med Chem 59(10): 4539-4550.

  • Novakova, Z., J. Cerny, C. J. Choy, J. R. Nedrow, J. K. Choi, J. Lubkowski, C. E. Berkman and C. Barinka (2016). "Design of composite inhibitors targeting glutamate carboxypeptidase II: the importance of effector functionalities." FEBS J 283(1): 130-143.

2015

  • Ganguly, T., S. Dannoon, M. R. Hopkins, S. Murphy, H. Cahaya, J. E. Blecha, S. Jivan, C. R. Drake, C. Barinka, E. F. Jones, H. F. VanBrocklin and C. E. Berkman (2015). "A high-affinity [(18)F]-labeled phosphoramidate peptidomimetic PSMA-targeted inhibitor for PET imaging of prostate cancer." Nucl Med Biol 42(10): 780-787.

  • Tykvart, J., C. Barinka, M. Svoboda, V. Navratil, R. Soucek, M. Hubalek, M. Hradilek, P. Sacha, J. Lubkowski and J. Konvalinka (2015). "Structural and biochemical characterization of a novel aminopeptidase from human intestine." J Biol Chem 290(18): 11321-11336.

  • Youn, S., K. I. Kim, J. Ptacek, K. Ok, Z. Novakova, Y. Kim, J. Koo, C. Barinka and Y. Byun (2015). "Carborane-containing urea-based inhibitors of glutamate carboxypeptidase II: Synthesis and structural characterization." Bioorg Med Chem Lett 25(22): 5232-5236.

2014

  • Navratil, M., J. Ptacek, P. Sacha, J. Starkova, J. Lubkowski, C. Barinka and J. Konvalinka (2014). "Structural and biochemical characterization of the folyl-poly-gamma-l-glutamate hydrolyzing activity of human glutamate carboxypeptidase II." FEBS J 281(14): 3228-3242.

  • Pavlicek, J., J. Ptacek, J. Cerny, Y. Byun, L. Skultetyova, M. G. Pomper, J. Lubkowski and C. Barinka (2014). "Structural characterization of P1'-diversified urea-based inhibitors of glutamate carboxypeptidase II." Bioorg Med Chem Lett 24(10): 2340-2345.

  • Tykvart, J., V. Navratil, F. Sedlak, E. Corey, M. Colombatti, G. Fracasso, F. Koukolik, C. Barinka, P. Sacha and J. Konvalinka (2014). "Comparative analysis of monoclonal antibodies against prostate-specific membrane antigen (PSMA)." Prostate 74(16): 1674-1690.

2012

  • Alquicer, G., D. Sedlak, Y. Byun, J. Pavlicek, M. Stathis, C. Rojas, B. Slusher, M. G. Pomper, P. Bartunek and C. Barinka (2012). "Development of a high-throughput fluorescence polarization assay to identify novel ligands of glutamate carboxypeptidase II." J Biomol Screen 17(8): 1030-1040.

  • Barinka, C., C. Rojas, B. Slusher and M. Pomper (2012). "Glutamate carboxypeptidase II in diagnosis and treatment of neurologic disorders and prostate cancer." Curr Med Chem 19(6): 856-870.

  • Pavlicek, J., J. Ptacek and C. Barinka (2012). "Glutamate carboxypeptidase II: an overview of structural studies and their importance for structure-based drug design and deciphering the reaction mechanism of the enzyme." Curr Med Chem 19(9): 1300-1309.

  • Tykvart, J., P. Sacha, C. Barinka, T. Knedlik, J. Starkova, J. Lubkowski and J. Konvalinka (2012). "Efficient and versatile one-step affinity purification of in vivo biotinylated proteins: expression, characterization and structure analysis of recombinant human glutamate carboxypeptidase II." Protein Expr Purif 82(1): 106-115.

2011

  • Plechanovova, A., Y. Byun, G. Alquicer, L. Skultetyova, P. Mlcochova, A. Nemcova, H. J. Kim, M. Navratil, R. Mease, J. Lubkowski, M. Pomper, J. Konvalinka, L. Rulisek and C. Barinka (2011). "Novel substrate-based inhibitors of human glutamate carboxypeptidase II with enhanced lipophilicity." J Med Chem 54(21): 7535-7546.

2010

  • Zhang, A. X., R. P. Murelli, C. Barinka, J. Michel, A. Cocleaza, W. L. Jorgensen, J. Lubkowski and D. A. Spiegel (2010). "A remote arene-binding site on prostate specific membrane antigen revealed by antibody-recruiting small molecules." J Am Chem Soc 132(36): 12711-12716.

Patents

  • Skerra, A. R., A.; Morath, V.; Barinka, C.; Ptacek, J. ( 2019). US10406247. PSMA-Specific Binding Proteins., Technische Universität München (DE); Biotechnologický ústav AVCR, v.v.i. (CZ).

GAČR: GJ19-22269Y, Kutil: Nové inhibitory glutamát karboxypeptidasy II: studie vztahu struktura-aktivita a funkční testování. 2019-2021.

MŠMT: LTAUSA18196, Nováková: Vývoj nástrojů pro diagnostiku a terapii rakoviny prostaty na bázi rekombinantních derivátů protilátek. 2019-2022.

GAČR: GA18-04790S, Bařinka: Proteinové inženýrství monoklonálních protilátek využitelných pro diagnostiku a terapii nádorů. 2018-2020.

GAČR: GA18-14167S, Bařinka: Orthologní glutamát karboxypeptidázy 2 v modelových organizmech - hledání fyziologických rolí a terapeutického potenciálu enigmatického enzymu. 2018-2020.

AZV: NV17-32727A, Bařinka: Inovativní strategie pro personalizovanou medicínu: molekulární přístupy cílené na vliv dědičných metabolických chorob způsobených mutacemi v PPO. 2017-2020.

Středočeské inovační vouchery: Poskytnutí znalostí firmě Apronex s.r.o. 2016.

GAČR: GA15-19640S, Bařinka: Substrátová specifita histon deacetylasy 6 na molekulární úrovni. 2015-2017.

MŠMT (program OP VK): CZ.1.07/2.3.00/30.0045, Bařinka, Nováková, Kubista, Valihrach, Hejnalová: Biotechnologický expert v oblasti strukturní biologie a genové exprese. 2012-2015.

GAČR: GAP301/12/1513, Bařinka: Vysokoafinitní ligandy použitelné k detekci nádorů. 2012-2016.

EMBO: ASTF 56 – 2012, Bařinka: Short-Term Fellowship. 2012.

MŠMT: ME10031, Bařinka: Racionální návrh ligandů a inhibitorů glutamát karboxypeptidasy II a jejích homologů. 2010-2012.

EMBO: 1978, Bařinka: EMBO Installation Grant. 2010-2015.

AVČR: Fellowship Jana Evangelisty Purkyně. 2010-2014.

FP7 IRG Reintegration Grant: 249220, Bařinka: Design and development of novel reagents, tools, and techniques targeting human glutamate carboxypeptidases II and III. 2010-2014.