Patrzenie podwójnie: projektowanie leków ukierunkowanych na „bliźniacze” białka nowotworowe

Aby zaprojektować lek blokujący białko związane z nowotworem, naukowcy ze Scripps Research skorzystali z wskazówki z paralogu, czyli „bliźniaka” białka. Korzystając z innowacyjnych metod biologii chemicznej, naukowcy wskazali na paralogu miejsce, w którym można podać lek, a następnie wykorzystali tę wiedzę do scharakteryzowania leków, które wiążą się z podobnym – ale trudniejszym do wykrycia – miejscem na swoim bliźniaku. Ostatecznie znaleźli leki, które wiązały się tylko z białkiem będącym przedmiotem zainteresowania, a nie z jego bardzo podobnym rodzeństwem.

Ich podejście, opisane w Natura Chemiczna Biologia i nazwane „przeskakiwaniem paralogicznym” może odkryć nowe miejsca wiązania leków i szerzej wpłynąć na rozwój leków, ponieważ prawie połowa białek w ludzkich komórkach – w tym wiele związanych z nowotworami i chorobami autoimmunologicznymi – ma takie paralogi.

„Ta metoda może być ogólnie przydatna w przypadkach, gdy masz paralogi i próbujesz znaleźć nowy lek na jeden z nich” – mówi starszy autor dr Benjamin Cravatt, kierownik katedry biologii i chemii w Scripps Research w Norton B. Gilula . „Możliwość ukierunkowania jednego paralogu na inny jest ważnym celem w opracowywaniu leków, ponieważ dwa paralogi często pełnią różne funkcje”.

Wiele genów uległo duplikacji w trakcie ewolucji, co doprowadziło do powstania wielu kopii w ludzkim genomie. W niektórych przypadkach kopie wyewoluowały nieco różniące się od siebie sekwencje, tworząc odpowiadające im białka w paralogi. Te paralogi białkowe mają bardzo podobną strukturę i często pełnią w komórkach zbędne lub nakładające się funkcje.

W ostatnich latach zespół badawczy Cravatta sformułował podejście mające na celu opracowanie leków wiążących się z aminokwasem cysteiną – budulcem białka o unikalnych, wysoce reaktywnych właściwościach chemicznych. Metoda naukowa wykorzystuje cysteiny jako optymalne miejsce, w którym leki mogą trwale przyłączać się do białka, często je inaktywując. Jednak nie wszystkie białka mają dostępne cysteiny. W przypadku par paralogicznych jedno białko może zawierać cysteinę nadającą się do leczenia, której drugie nie ma.

„Zaczęliśmy od pomysłu, że jeśli wiesz, jak podać lek jednemu białku, możesz dowiedzieć się, jak w podobny sposób podać lek jego paralogowi” – ​​mówi Yuanjin Zhang, absolwent w Scripps Research i pierwszy autor nowego artykułu.

W ramach przypadku testowego zespół zajął się parą paralogów znaną jako CCNE1 i CCNE2. Stwierdzono, że oba białka są nadaktywne w przypadku raka piersi, jajnika i płuc. Naukowcy podejrzewali jednak, że te dwa białka odgrywają nieco odmienną rolę. Zespół założył, że wyłączenie tylko jednego białka może zwiększyć skuteczność leczenia niektórych nowotworów.

Trudno było jednak zaprojektować leki ukierunkowane na białka CCNE1 i CCNE2, aby przetestować tę hipotezę. Cravatt, Zhang i ich współpracownicy wiedzieli, że CCNE2 zawiera cysteinę nadającą się do leczenia, podczas gdy CCNE1 nie. Podejrzewali, że gdyby udało im się zidentyfikować leki wiążące się z tym samym miejscem na CCNE1, nawet przy braku cysteiny, białko uległoby wyłączeniu.

Naukowcy najpierw wprowadzili cysteinę do CCNE1, naśladując miejsce wiązania leku, które zlokalizowali w CCNE2. Następnie wykorzystali tę neocysteinę do zidentyfikowania leków wiążących się z CCNE1. Następnie przeszukali bibliotekę innych związków chemicznych pod kątem zdolności do konkurowania z tym lekiem w wiązaniu się z CCNE1. Zespół doszedł do wniosku, że niektóre związki konkurujące o to samo miejsce będą wiązać się w sposób niezależny od cysteiny.

Rzeczywiście, Cravatt, Zhang i ich współpracownicy odkryli wiele związków, które mogą wiązać się z tym samym miejscem na CCNE1, nawet jeśli cysteina zostanie ponownie usunięta. Niektóre związki nie wiązały się z CCNE2. Niektóre pełniły także funkcje odwrotne, stabilizując cząsteczkę, dzięki czemu może być bardziej aktywna niż zwykle, zamiast ją inaktywować. Badania strukturalne ujawniły, że związki CCNE1 wiążą się z tajemniczą kieszenią, o której wcześniej nie było wiadomo, że nadaje się do stosowania na leki.

Zespół twierdzi, że takie podejście podkreśla znaczenie badań przesiewowych na obecność narkotyków na różnorodne i kreatywne sposoby.

„Gdybyśmy właśnie przeszukali związki o określonej funkcji, nie zidentyfikowalibyśmy wszystkich tych różnych cząsteczek funkcjonalnych, a gdybyśmy tylko przyjrzeli się strukturze CCNE1, w ogóle nie znaleźlibyśmy tej kieszeni wiążącej” – mówi. mówi Zhang.

Konieczne są dalsze badania, aby odkryć, czy nowe związki mają potencjalne zastosowanie w leczeniu raka i innych chorób, w których rolę odgrywa CCNE1. Następnie naukowcy planują zastosować swoją metodę przeskakiwania paralogów do innych par białek ważnych dla powstawania nowotworów.

Oprócz Cravatta i Zhanga, autorów badania, „Miejsce allosterycznej cykliny E-CDK2 zmapowane metodą przeskoku paralogicznego za pomocą sond kowalencyjnych”, w tym Zhonglin Liu, Sang Joon Won, Divya Bezwada i Bruno Melillo ze Scripps oraz Marsha Hirschi, Oleg Brodsky, Eric Johnson, Asako Nagata, Matthew D. Petroski, Jaimeen D. Majmudar, Sherry Niessen, Todd VanArsdale, Adam M. Gilbert, Matthew M. Hayward, Al E. Stewart i Andrew R. Nager z firmy Pfizer, Inc.

Praca ta była finansowana ze środków Narodowego Instytutu Raka (R35 CA231991) i firmy Pfizer.