Neue Forschungsergebnisse von Cornell bieten einen neuen Einblick in die Art und Weise, wie ein gängiges Chemotherapeutikum, Etoposid, die wesentlichen Enzyme blockiert und vergiftet, die das Gedeihen von Krebszellen ermöglichen.
Die Ergebnisse aus dem Labor von Michelle Wang, James Gilbert White Distinguished Professor of the Physical Sciences und Howard Hughes Medical Institute Investigator am College of Arts and Sciences, werden die Untersuchung einer Reihe von Krebshemmern voranbringen. Die von der Gruppe entwickelten Techniken werden auch die Schaffung empfindlicher Screening-Instrumente zur Identifizierung von Arzneimittelmechanismen ermöglichen, die die Behandlung von Patienten verbessern können.
Die Veröffentlichung der Gruppe „Etoposide Promotes DNA Loop Trapping and Barrier Formation by Topoisomerase II“ wurde am 30. Januar veröffentlicht Naturchemische Biologie. Die Co-Hauptautoren sind der Forschungsspezialist Tung Le und der Postdoktorand Meiling Wu.
Etoposid ist seit 40 Jahren ein bewährtes Chemotherapeutikum zur Behandlung einer Vielzahl von Krebsarten. Etoposid ist erfolgreich, indem es auf eukaryotische Topoisomerasen vom Typ IIA abzielt, Enzyme – auch bekannt als Topo IIs – die die Replikation von Krebszellen ermöglichen.
Im Zentrum dieses Replikationsprozesses stehen die langen, verschlungenen, spiralförmigen DNA-Stränge. Damit sich Krebs ausbreiten kann, müssen diese Stränge von Motorproteinen entwirrt, gedreht und kopiert werden. Topo IIs sind für den Job gut geeignet.
Sie führen eine ausgeklügelte Art von Seiltrick durch, der die supercoiled DNA entspannt, indem sie sie durchschneidet, sehr schnell einen anderen DNA-Strang durch ihre Mitte führt und dann die geschnittene DNA wieder zusammenfügt. All dies geschieht, ohne die empfindliche genetische Struktur der DNA zu beschädigen – eine unglaubliche und unglaublich schnelle Leistung der Biologie, die im Körper ungefähr 300 Milliarden Mal am Tag passiert.
Der große Vorteil von Etoposid besteht darin, dass es einen DNA-Doppelstrangbruch stabilisieren kann, bevor etwas wieder verbunden wird, und dadurch die Krebszelle daran hindert, sich zu replizieren. Die Feinheiten, wie Etoposid mit der DNA-Struktur interagiert, sind jedoch unklar geblieben.
„Normalerweise fragen wir: Was ist der beste Weg, um molekulare Maschinen zu untersuchen, die auf der DNA ablaufen?“ sagte Wang. „Um zu verstehen, wie diese Enzyme funktionieren, wollen wir nachahmen, was in der Zelle passiert. Motorproteine ziehen an der DNA oder üben eine Kraft auf die DNA aus. Also sagten wir: OK, wir können eine Kraft anwenden und sehen, was passiert. “
Wangs Labor verwendete drei verschiedene Einzelmolekül-Manipulationstechniken, um die Wirkung von Etoposid auf drei Topo-IIs zu beobachten, die von Mitarbeitern unter der Leitung von Professor James Berger von der Johns Hopkins University bereitgestellt wurden: Hefe-Topoisomerase II, menschliche Topoisomerase II alpha und menschliche Topoisomerase II beta.
„Die DNA-Topologie ist konzeptionell und in Bezug auf die mechanischen Torsionseigenschaften für die Menschen wirklich schwer zu verstehen“, sagte Wang. „Es gab nur sehr wenige Möglichkeiten, es zu studieren. Aber wir haben zufällig genau die richtigen Werkzeuge. Und der Grund, warum wir die richtigen Werkzeuge haben, ist, dass wir in den letzten 20 Jahren daran gearbeitet haben, sie zu entwickeln. Diese Werkzeuge und dieses Problem kam einfach zur richtigen Zeit zusammen.“
Zunächst verwendeten die Forscher optische Pinzetten, um die DNA in verschiedene Konfigurationen zu dehnen und zu demonstrieren, wie Etoposid sich verdichtet, freisetzt und bricht und DNA-Schleifen erzeugt. Dieses Loop-Trapping-Verhalten überraschte alle, da es eine neue Wirkung von Etoposid enthüllte, die zuvor nicht bekannt war. Dies impliziert, dass Etoposid Topo II fördern könnte, um die DNA-Struktur und -Topologie in vivo signifikant zu verändern.
Dann verwendete das Team eine optische Pinzette, um doppelsträngige DNA in zwei Einzelstränge zu entpacken, um Proteininteraktionen mit der DNA hochaufgelöst zu kartieren, und ahmte so die motorische Entfernung eines gebundenen Proteins nach. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Etoposid Topo II in ein starkes Hindernis für DNA-Verarbeitungsmaschinen verwandeln könnte.
Ihre dritte Technik ist eine Version einer magnetischen Pinzette, bei der sie DNA mit einem gebundenen Topo II verdrehten und beobachteten, wie das Topo II die DNA mit einer stetigen Geschwindigkeit entspannte. Als sie Etoposid hinzufügten, stellten sie fest, dass die Chemikalie dieses Muster versetzte und Pausen einführte, die mit dem Einfangen von Supercoiled-Loops korrelieren.
Durch die Erfassung der verschiedenen Möglichkeiten, wie Etoposid diese Wirkungen verstärkt und die Topo-II-Funktion stört, verfügen die Forscher nun über ein quantitatives System zur Charakterisierung des Verhaltens anderer Topoisomerase-Medikamente.
„Ich denke, dies gibt uns eine Reihe von Werkzeugen, die es uns ermöglichen würden, viele verschiedene Arten von Topoisomerasen und andere Arten von Medikamenten auf sehr umfassende Weise zu untersuchen“, sagte Wang. „Alles, was wir tun, ahmt nach, was in vivo passiert. Wir tun es einfach auf mechanisch kontrollierte Weise. Deshalb ist es so leistungsfähig.“
Mehr Informationen:
Tung T. Le et al, Etoposid fördert das Einfangen von DNA-Schleifen und die Bildung von Barrieren durch Topoisomerase II, Naturchemische Biologie (2023). DOI: 10.1038/s41589-022-01235-9