„Spiegelbild“-Moleküle ebnen neuen Weg für die Entdeckung von Krebsmedikamenten

Wissenschaftler von Scripps Research haben eine neue Strategie zur Identifizierung kleiner Moleküle entwickelt, die die Funktion von Proteinen verändern können, und bieten einen vielversprechenden Weg zur Entdeckung zielgerichteter Medikamente. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern anderer Institutionen nutzte die Gruppe ihren neuen Ansatz, um kleine Moleküle zu finden, die die Aktivität von an Krebs beteiligten Proteinen verändern können.

Die Studie, veröffentlicht in Molekulare Zelle am 20. April, verbessert frühere Methoden, mit denen untersucht werden konnte, ob kleine Moleküle selektiv an Proteine ​​gebunden sind, aber nicht, ob sie die biologischen Aktivitäten der Proteine ​​​​beeinflussten. Bei der neuen Methode geht es darum, zwei spiegelbildliche Versionen eines kleinen Moleküls zu verwenden und zu vergleichen, wie sie die Größe von Proteinkomplexen in Zellen verändern.

„Die Fähigkeit kleiner Moleküle, sich spezifisch an ein Protein zu binden und eine biologische Konsequenz hervorzurufen, ist die grundlegende Grundlage für die meisten Medikamente von heute“, sagt Seniorautor Benjamin Cravatt, Ph.D., Gilula Chair of Chemical Biology bei Scripps Research. „Mit diesem Assay erweitern wir unsere Fähigkeit, diese kleinen Moleküle zu entdecken, die nicht nur Proteine ​​binden, sondern auch funktionelle Auswirkungen haben.“

In den letzten Jahren hat Cravatts Labor Sätze kleiner Chemikalien entwickelt, die sich irreversibel an bestimmte Teile von Proteinen binden können. Das Screening dieser chemischen Bibliotheken auf ihre möglichen Auswirkungen auf die Proteinfunktion war jedoch im Allgemeinen ein langsamer und langwieriger Prozess. Da einzelne Proteine ​​unterschiedliche Rollen in der Zellbiologie spielen, müssen Forscher oft spezialisierte funktionelle Screens für jedes interessierende Protein entwickeln. Ein Screen könnte zum Beispiel bestimmen, ob die Chemikalien das Zellwachstum beeinflussen, während ein anderer bestimmen könnte, ob die Chemikalien die Konzentrationen eines anderen Moleküls verändert haben.

„Nur weil ein kleines Molekül ein Protein physisch angreift, bedeutet das nicht, dass es die Funktion des Proteins in der Zelle verändert“, sagt Co-Erstautor Jarrett Remsberg, Ph.D., der die Arbeit als Postdoktorand der American Cancer Society durchführte Fellow im Cravatt-Labor bei Scripps Research. Ehemaliger Doktorand Michael Lazear, Ph.D. und Postdoktorand Martin Jaeger, Ph.D. waren auch Erstautoren der Arbeit.

In der neuen Arbeit nutzte Cravatts Gruppe die Zusammenballung von Proteinen zu Komplexen als Stellvertreter für ihre Funktion. Proteine ​​wirken oft, indem sie an andere Proteine ​​binden – wenn diese Bindung nicht stattfindet oder induziert wird, deutet dies darauf hin, dass sich die Funktion eines Proteins möglicherweise geändert hat.

Das Forschungsteam entwarf Paare von „Spiegelbild“-Molekülen, sogenannte Stereoisomere, die sich jeweils irreversibel an Proteine ​​binden konnten, so wie ihre früheren chemischen Bibliotheken funktioniert hatten. Die Stereoisomerenpaare geben ihnen die Gewissheit, dass die Auswirkung jedes kleinen Moleküls auf seine einzigartige Struktur zurückzuführen ist (wenn nur eine Version eines Moleküls die Funktion des Proteins verändert, handelt es sich wahrscheinlich um eine spezifische und direkte Wechselwirkung).

Nachdem sie die Zellen den Stereoisomerenpaaren ausgesetzt hatten, testeten sie, ob sich ein interessierendes Protein in einem Komplex mit einer anderen Größe befand, indem sie eine Technik namens Größenausschlusschromatographie verwendeten, bei der Proteine ​​​​durch Kügelchen mit unterschiedlich großen Poren gesiebt werden.

Um den Nutzen dieses Ansatzes zu zeigen, untersuchten die Forscher die Gruppe kleiner Moleküle auf ihre Fähigkeit, die Größe von Proteinkomplexen in Prostatakrebszellen zu verändern. Sie lokalisierten ein Molekül, MY-1B, das selektiv einen als PA28 bekannten Proteinkomplex zerstörte, von dem zuvor festgestellt wurde, dass er eine Rolle beim Abbau von Proteinen bei Krebs spielt. Weitere Arbeiten an Leukämiezellen bestätigten, dass MY-1B oder eine verwandte Verbindung (aber nicht ihre Spiegelbilder) durch spezifische Bindung an das Protein PMSE1 den PA28-Komplex effektiv inaktivieren können.

Cravatt und Kollegen gingen auch einer Beobachtung nach, dass eine andere Chemikalie, EV-96, die Größe eines Proteinkomplexes veränderte, der am Spleißen von RNA-Strängen in Zellen beteiligt ist. Das Team entdeckte, dass EV-96 das Wachstum von Krebszellen verlangsamte und identifizierte SF3B1 als das Protein, an das die Chemikalie bindet.

In beiden Fällen stellen die neuen Chemikalien das erste Mal dar, dass Wissenschaftler die Proteinkomplexe – PA28 und das sogenannte Spleißosom – mit kleinen, einfachen synthetischen Chemikalien angreifen konnten.

„Damit haben Forscher neue chemische Werkzeuge in ihrem Arsenal, die sie vorher nicht hatten“, sagt Remsberg. „Es ist eine Gelegenheit, diese Proteine ​​besser zu verstehen und potenzielle therapeutische Möglichkeiten zu untersuchen.“

Das Team hofft, dass sein Ansatz erweitert werden kann, um andere funktionelle Anzeigen als die komplexe Größe zu verwenden, und sie beabsichtigen, damit in Zukunft verschiedene Zelltypen zu untersuchen.

„Die langfristige Idee ist, dass wir diesen Ansatz verwenden können, um chemische Verbindungen zu entdecken, die sich auf jede Anzeige auswirken“, sagt Cravatt. „Es gibt sicherlich noch andere Messwerte, die wir uns hoffentlich in Zukunft anschauen können.“