Um Krebs wirksam zu bekämpfen, muss man oft die Vermehrung von Krebszellen stoppen. Dazu muss man die Proteine verstehen, die die Zellen zum Überleben brauchen. Proteinprofile spielen in diesem Prozess eine entscheidende Rolle, denn sie helfen Forschern, Proteine und ihre spezifischen Bestandteile zu identifizieren, auf die zukünftige Medikamente abzielen sollten. Wenn sie jedoch allein verwendet werden, sind frühere Ansätze nicht detailliert genug, um alle potenziellen Proteinziele zu erfassen, was dazu führt, dass einige übersehen werden.
Durch die Kombination zweier Methoden der Proteinanalyse konnte ein Team von Chemikern bei Scripps Research nun mehr als 300 auf kleine Moleküle reagierende Krebsproteine sowie deren Bindungsstellen kartieren. Die Entdeckung wichtiger Proteinziele, die – wenn sie durch bestimmte chemische Verbindungen (oder kleine Moleküle) zerstört werden – das Wachstum von Krebszellen stoppen, könnte letztendlich die Entwicklung wirksamerer und präziserer Krebsbehandlungen ermöglichen. Die Ergebnisse erscheinen In Naturchemie.
„Eine Methode verschaffte uns einen umfassenden Überblick darüber, welche Proteine mit den Chemikalien interagierten, und die zweite Methode zeigte genau, wo diese Interaktionen stattfanden“, sagt Co-Seniorautor Benjamin Cravatt, Ph.D., Inhaber des Norton B. Gilula-Lehrstuhls für Biologie und Chemie am Scripps Research.
Beide Methoden sind Formen des aktivitätsbasierten Proteinprofilings (ABPP), einer Technik, die Cravatt entwickelt hat, um Proteinaktivität auf globaler Ebene zu erfassen. Das Forschungsteam nutzte seinen dualen Ansatz, um sowohl die Proteine als auch die Proteinstellen zu markieren, die mit einer Bibliothek von Stereosonden interagierten – chemischen Verbindungen, die so konzipiert sind, dass sie sich auf selektive Weise dauerhaft an Proteine binden. Stereosonden werden verwendet, um Proteinfunktionen zu untersuchen und mögliche Wirkstoffziele zu identifizieren.
„Wir haben uns bewusst darum bemüht, unsere Stereosonden mit chemischen Merkmalen zu entwerfen, die in Verbindungen, die typischerweise in der Arzneimittelforschung verwendet werden, tendenziell unterrepräsentiert sind“, sagt Co-Seniorautor Bruno Melillo, Ph.D., ein Institutsforscher in der Abteilung Chemie bei Scripps Research. „Diese Strategie erhöht unsere Chancen, Entdeckungen zu machen, die die Biologie voranbringen und sich letztendlich in Verbesserungen der menschlichen Gesundheit niederschlagen können.“
Die Stereosonden des Forschungsteams waren elektrophil, das heißt, sie waren so konzipiert, dass sie sich irreversibel an Proteine binden – insbesondere an Cystein. Diese Aminosäure ist in Proteinen allgegenwärtig, auch in denen von Krebszellen, und hilft bei der Bildung wichtiger Strukturbindungen. Wenn Chemikalien mit Cystein reagieren, können sie diese Bindungen zerstören und Fehlfunktionen der Proteine verursachen, die das Zellwachstum beeinträchtigen. Viele Krebsmedikamente binden sich irreversibel an Cysteine auf Proteinen.
„Wir haben uns auch auf Cystein konzentriert, weil es die nukleophilste Aminosäure ist“, sagt Erstautor Evert Njomen, Ph.D., ein HHMI Hanna H. Gray Fellow bei Scripps Research und Postdoktorand in Cravatts Labor.
Um herauszufinden, welche spezifischen Proteine sich an die Stereosonden binden würden, griff das Team auf eine Methode namens proteingerichtete ABPP zurück. Mit diesem Ansatz entdeckten die Forscher mehr als 300 einzelne Proteine, die mit den Stereosondenverbindungen reagierten. Doch sie wollten noch tiefer graben und die genauen Orte der Reaktionen identifizieren.
Die zweite Methode, Cystein-gerichtete ABPP, lokalisierte genau, wo die Stereosonden an die Proteine banden. Dies ermöglichte es dem Team, auf eine bestimmte Proteintasche „hereinzuzoomen“ und zu untersuchen, ob das darin enthaltene Cystein mit den Stereosonden reagierte, ähnlich wie wenn man sich auf einen einzelnen Punkt auf einem Puzzlebrett konzentriert, um zu sehen, ob ein bestimmtes Teil passt.
Jedes Stereosondenmolekül besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem bindenden Teil und dem elektrophilen Teil. Sobald die bindende Komponente die Proteintasche der Krebszelle erkennt, kann das Stereosondenmolekül hoffentlich eindringen – so wie ein Schlüssel in ein Schloss passen muss. Bleibt eine Stereosonde in einer Tasche, die für die Funktion der Krebszelle entscheidend ist, blockiert sie die Bindung des Proteins an andere Proteine – und verhindert so letztlich die Zellteilung.
„Indem man diese sehr spezifischen Stadien im Zellzyklus anvisiert, besteht die Möglichkeit, das Wachstum von Krebszellen zu verlangsamen“, sagt Njomen. „Eine Krebszelle würde in einem Zustand verbleiben, der fast einem Zustand von zwei Zellen entspricht, und das Immunsystem Ihres Körpers würde sie als defekt erkennen und sie zum Absterben veranlassen.“
Die Identifizierung präziser Proteinbereiche, die für das Überleben von Krebszellen entscheidend sind, könnte Forschern dabei helfen, gezieltere Behandlungen zu entwickeln, um die Zellvermehrung zu stoppen.
Zu den weiteren wichtigen Erkenntnissen des Teams gehörte die Bestätigung, dass ihr zweigleisiger Ansatz ein genaueres Bild der Protein-Stereosonden-Reaktivität zeichnete als eine einzelne Methode.
„Wir wussten schon immer, dass beide Methoden ihre Nachteile haben, aber wir wussten nicht genau, wie viele Informationen verloren gehen, wenn wir nur eine Technik verwenden“, sagt Njomen. „Es war überraschend zu sehen, dass eine beträchtliche Anzahl von Proteinzielen übersehen wurde, wenn wir eine Plattform anstelle der anderen verwendeten.“
Das Team hofft, dass seine Erkenntnisse eines Tages zu neuen Krebstherapien führen werden, die auf die Zellteilung abzielen. In der Zwischenzeit möchte Njomen neue Stereoproben-Bibliotheken entwerfen, um Proteintaschen aufzudecken, die an anderen Krankheiten als Krebs beteiligt sind, darunter auch entzündliche Erkrankungen.
„Viele Proteine werden mit Krankheiten in Verbindung gebracht, aber wir haben keine Stereosonden, um sie zu erforschen“, sagte sie. „In Zukunft möchte ich mehr Proteintaschen finden, die wir für die Arzneimittelforschung untersuchen können.“
Weitere Informationen:
Evert Njomen et al., Mehrstufige chemische proteomische Karten von Tryptolinacrylamid-Protein-Interaktionen in Krebszellen, Naturchemie (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01601-1