Naukowcy z zespołu Scripps Research zidentyfikowali nowe białka, które mogą być celem nowych leków przeciwnowotworowych, stosując podejście polegające na podwójnym mapowaniu białek.
Skuteczna walka z nowotworem często wiąże się z zatrzymaniem namnażania się komórek nowotworowych, co zależy od zrozumienia białek niezbędnych tym komórkom do przeżycia. Profilowanie białek ma kluczowe znaczenie w tych wysiłkach, ponieważ umożliwia naukowcom wskazanie białek – i ich konkretnych składników – które powinny być celem przyszłych leków. Jednakże wcześniejszym metodom, stosowanym samodzielnie, brakowało precyzji niezbędnej do zidentyfikowania wszystkich możliwych celów białkowych, w wyniku czego niektóre z nich zostały przeoczone.
Teraz, łącząc dwie metody analizy białek, zespół chemików z Scripps Research zmapował ponad 300 małych cząsteczek reaktywnych białek nowotworowych, a także ich miejsca wiązania małych cząsteczek. Odkrycie kluczowych celów białkowych, które po rozerwaniu przez określone związki chemiczne (lub małe cząsteczki) zatrzymują wzrost komórek nowotworowych, mogą ostatecznie umożliwić opracowanie bardziej skutecznych i precyzyjnych metod leczenia raka. Wyniki opublikowano w Chemia Przyrody 13 sierpnia 2024 r.
Techniki profilowania białek
„Jedna metoda dała nam szeroki obraz tego, które białka wchodzą w interakcje z substancjami chemicznymi, a druga metoda pokazała dokładnie, gdzie te interakcje zachodzą” – mówi współautor, dr Benjamin Cravatt, kierownik katedry biologii i chemii Norton B. Gilula w Scripps Research.
Obie metody są formami profilowania białek w oparciu o aktywność (ABPP), techniki, której Cravatt był pionierem w celu wychwytywania aktywności białek w skali globalnej. Zespół badawczy zastosował swoje podwójne podejście do oznaczenia zarówno białek, jak i miejsc białkowych, które wchodziły w interakcję z biblioteką stereosond – związków chemicznych zaprojektowanych do trwałego wiązania się z białkami w selektywny sposób. Sondy stereoskopowe służą do badania funkcji białek i identyfikacji możliwych celów leków.
„Podjęliśmy świadomy wysiłek, aby zaprojektować nasze stereosondy o właściwościach chemicznych, które są zwykle niedostatecznie reprezentowane w związkach zwykle stosowanych w odkrywaniu leków” – mówi współautor, dr Bruno Melillo, badacz w instytucie na Wydziale Chemii w Scripps Research. „Ta strategia zwiększa nasze szanse na dokonanie odkryć, które mogą przyczynić się do postępu w biologii i ostatecznie przełożyć się na poprawę zdrowia ludzkiego”.
Sondy stereoskopowe zespołu badawczego były elektrofilowe, co oznacza, że zostały zaprojektowane tak, aby nieodwracalnie wiązać się z białkami, w szczególności z cysteiną. Ta amino kwas jest wszechobecny w białkach, w tym w komórkach nowotworowych, i pomaga tworzyć ważne wiązania strukturalne. Kiedy substancje chemiczne reagują z cysteiną, mogą rozerwać te wiązania i spowodować nieprawidłowe działanie białek, co zakłóca wzrost komórek, a wiele leków przeciwnowotworowych nieodwracalnie wiąże się z cysteinami na białkach.
„Skupiliśmy się także na cysteinie, ponieważ jest to najbardziej nukleofilowy aminokwas” – mówi pierwszy autor, dr Evert Njomen, stypendysta HHMI Hanna H. Gray w Scripps Research i pracownik naukowy ze stopniem doktora w laboratorium Cravatta.
Szczegółowa analiza przy użyciu ABPP
Aby dowiedzieć się, które konkretne białka będą wiązać się ze stereosondami, zespół sięgnął po metodę znaną jako ABPP kierowane na białka. Stosując to podejście, naukowcy odkryli ponad 300 pojedynczych białek, które reagowały ze związkami stereosondy. Mimo to chcieli sięgnąć głębiej i zidentyfikować dokładne lokalizacje reakcji.
Druga metoda, zwana ABPP kierowana cysteiną, pozwoliła dokładnie określić, gdzie stereosondy wiążą się z białkami. Umożliwiło to zespołowi „przybliżenie” konkretnej kieszeni białkowej i sprawdzenie, czy zawarta w niej cysteina reaguje z sondami stereoskopowymi, co przypomina skupianie się na pojedynczym miejscu na planszy w celu sprawdzenia, czy dany element pasuje.
Każda cząsteczka stereosondy miała dwa główne składniki: część wiążącą i część elektrofilową. Miejmy nadzieję, że gdy składnik wiążący rozpozna kieszeń białkową komórki nowotworowej, cząsteczka stereosondy będzie mogła wejść do środka – tak jak klucz musi pasować do zamka. Kiedy stereosonda pozostawała w kieszeni, która ma kluczowe znaczenie dla funkcjonowania komórki nowotworowej, blokowała wiązanie białka z innymi białkami, co ostatecznie uniemożliwiało podział komórki.
„Dzięki celowaniu w te bardzo specyficzne etapy cyklu komórkowego istnieje potencjał spowolnienia wzrostu komórek nowotworowych” – mówi Njomen. „Komórka nowotworowa pozostanie w tym, co jest prawie stan dwóch komórek, a układ odpornościowy twojego organizmu wykryje je jako wadliwe i skieruje na śmierć.
Identyfikacja precyzyjnych regionów białkowych kluczowych dla przeżycia komórek nowotworowych może pomóc naukowcom w opracowaniu bardziej ukierunkowanych terapii powstrzymujących namnażanie się komórek.
Do innych kluczowych odkryć zespołu należało potwierdzenie, że dwutorowe podejście pozwoliło uzyskać dokładniejszy obraz reaktywności białka i stereosondy niż w przypadku pojedynczej metody.
„Zawsze wiedzieliśmy, że obie metody mają swoje wady, ale nie wiedzieliśmy dokładnie, ile informacji traci się stosując tylko jedną technikę” – mówi Njomen. „Zaskakujące było to, że podczas korzystania z jednej platformy zamiast drugiej pominięto znaczną liczbę celów białkowych”.
Zespół ma nadzieję, że ich odkrycia pewnego dnia staną się podstawą nowych terapii przeciwnowotworowych ukierunkowanych na podział komórek. W międzyczasie Njomen chce zaprojektować nowe biblioteki stereosond, aby odkryć kieszenie białkowe powiązane z chorobami nienowotworowymi, w tym zaburzeniami zapalnymi.
„Wiele białek powiązano z chorobami, ale nie mamy stereosond, aby je zbadać” – powiedziała. „Idąc dalej, chciałbym znaleźć więcej kieszeni białkowych, które moglibyśmy zbadać w celu odkrycia leków”.
Odniesienie: „Wielopoziomowe chemiczne mapy proteomiczne interakcji tryptoliny akrylamid–białko w komórkach nowotworowych” autorstwa Everta Njomena, Rachel E. Hayward, Kristen E. DeMeester, Daisuke Ogasawara, Melissa M. Dix, Tracey Nguyen, Paige Ashby, Gabriel M. Simon, Stuart L. Schreiber, Bruno Melillo i Benjamin F. Cravatt, 13 sierpnia 2024 r., Chemia Przyrody.
DOI: 10.1038/s41557-024-01601-1
Prace te i zaangażowani w nie badacze otrzymali wsparcie finansowe ze środków Fundacji Narodowe Instytuty Zdrowia (U19 AI142784 i R35 CA231991); Cancer Research UK (CGCATF-2021/100012 i CGCATF-2021/100021), Krajowy Instytut Raka (OT2CA278688 i OT2CA278692); Howard Hughes Medical Institute Hanna H. Gray Fellowship (NGT15176), Jane Coffin Childs Memorial Fellowship i Vividion Therapeutics.
