Entwicklung von Medikamenten, die auf „Zwillings“-Krebsproteine ​​abzielen

Einige Proteine ​​im menschlichen Körper können leicht mit einem Medikament blockiert werden. Sie haben eine offensichtliche Stelle in ihrer Struktur, wo ein Medikament hineinpasst, wie ein Schlüssel in ein Schloss. Andere Proteine ​​sind jedoch schwieriger anzugreifen, da es keine klaren Bindungsstellen für Arzneimittel gibt.

Um ein Medikament zu entwickeln, das ein krebsrelevantes Protein blockiert, haben sich die Wissenschaftler von Scripps Research vom Paralog oder „Zwilling“ des Proteins inspirieren lassen. Mithilfe innovativer Methoden der chemischen Biologie lokalisierten die Wissenschaftler eine mit Medikamenten behandelbare Stelle auf dem Paralog und nutzten dieses Wissen dann, um Medikamente zu charakterisieren, die an eine ähnliche – aber schwieriger zu erkennende – Stelle auf seinem Zwilling binden. Letztendlich fanden sie Medikamente, die nur an das Protein von Interesse binden und nicht an dessen sehr ähnliches Geschwister.

Ihr Ansatz, beschrieben In Naturchemische Biologie am 18. September 2024 durchgeführt und als „Paralog-Hopping“ bezeichnet, könnte neue Bindungsstellen für Arzneimittel aufdecken und die Arzneimittelentwicklung umfassender beeinflussen, da fast die Hälfte der Proteine ​​in menschlichen Zellen – darunter viele, die an Krebs und Autoimmunerkrankungen beteiligt sind – über solche Paralogs verfügen.

„Diese Methode kann im Allgemeinen in Fällen nützlich sein, in denen Sie Paralogs haben und versuchen, ein neues Medikament für eines davon zu finden“, sagt der leitende Autor Benjamin Cravatt, Ph.D., am Norton B. Gilula-Lehrstuhl für Biologie und Chemie bei Scripps Research. „Die Fähigkeit, einen Paralog einem anderen vorzuziehen, ist ein wichtiges Ziel bei der Arzneimittelentwicklung, da zwei Paralogs oft unterschiedliche Funktionen haben.“

Viele Gene haben sich im Laufe der Evolution verdoppelt, was zu mehreren Kopien im menschlichen Genom führte. In einigen Fällen haben Kopien leicht unterschiedliche Sequenzen voneinander entwickelt, wodurch ihre entsprechenden Proteine ​​zu Paralogs wurden. Diese Proteinparalogs bleiben in ihrer Struktur sehr ähnlich und haben häufig redundante oder überlappende Funktionen innerhalb von Zellen.

In den letzten Jahren hat Cravatts Forschungsteam einen Ansatz zur Entwicklung von Medikamenten entwickelt, die an die Aminosäure Cystein binden – einen Proteinbaustein mit einzigartigen, hochreaktiven chemischen Eigenschaften. Die Methode der Wissenschaftler nutzt Cysteine ​​als optimale Stelle für Medikamente, um sich dauerhaft an ein Protein zu binden und dieses oft zu inaktivieren. Allerdings verfügen nicht alle Proteine ​​über zugängliche Cysteine. Im Fall von Paralog-Paaren kann ein Protein ein wirkstoffverwertbares Cystein aufweisen, das andere jedoch nicht.

„Wir gingen von der Idee aus, dass man, wenn man weiß, wie man ein Protein betäubt, auch herausfinden kann, wie man sein Paralog auf ähnliche Weise betäubt“, sagt Yuanjin Zhang, Doktorand bei Scripps Research und Erstautor der neuen Arbeit.

Als Testfall befasste sich das Team mit dem Paralog-Paar CCNE1 und CCNE2. Es wurde festgestellt, dass beide Proteine ​​bei Brust-, Eierstock- und Lungenkrebs überaktiv sind. Wissenschaftler vermuteten jedoch, dass die beiden Proteine ​​leicht unterschiedliche Rollen spielen. Das Team ging davon aus, dass die Abschaltung nur eines Proteins die Behandlung einiger Krebsarten wirksamer machen könnte.

Es war jedoch schwierig, Medikamente zu entwickeln, die auf die CCNE1- und CCNE2-Proteine ​​abzielen, um diese Hypothese zu testen. Cravatt, Zhang und ihre Kollegen wussten, dass CCNE2 über ein mit Medikamenten behandelbares Cystein verfügte, CCNE1 jedoch nicht. Wenn sie Arzneimittel identifizieren könnten, die an dieselbe Stelle auf CCNE1 binden, auch wenn kein Cystein vorhanden ist, vermuteten sie, dass das Protein abschalten würde.

Die Wissenschaftler bauten zunächst ein Cystein in CCNE1 ein und ahmten damit die Arzneimittelbindungsstelle nach, die sie in CCNE2 lokalisiert hatten. Anschließend nutzten sie dieses Neo-Cystein, um Medikamente zu identifizieren, die an CCNE1 binden. Als nächstes untersuchten sie eine Bibliothek anderer chemischer Verbindungen auf ihre Fähigkeit, mit diesem Medikament bei der Bindung an CCNE1 zu konkurrieren. Das Team kam zu dem Schluss, dass einige der Verbindungen, die um denselben Platz konkurrierten, auf eine Weise binden würden, die nicht auf dem Cystein beruhte.

Tatsächlich entdeckten Cravatt, Zhang und ihre Kollegen mehrere Verbindungen, die an dieselbe Stelle auf CCNE1 binden konnten, selbst wenn das Cystein wieder entfernt wurde. Einige Verbindungen banden nicht an CCNE2. Einige hatten auch entgegengesetzte Funktionen: Sie stabilisierten das Molekül, sodass es aktiver als gewöhnlich sein konnte, anstatt es zu inaktivieren. Strukturstudien ergaben, dass die CCNE1-Verbindungen an eine kryptische Tasche binden, von der bisher nicht bekannt war, dass sie mit Medikamenten beaufschlagbar ist.

Das Team sagt, dass der Ansatz die Bedeutung des Screenings auf Drogen auf vielfältige und kreative Weise unterstreicht.

„Wenn wir nur nach Verbindungen mit einer bestimmten Funktion gesucht hätten, hätten wir nicht alle dieser verschiedenen funktionellen Moleküle identifiziert, und wenn wir uns nur die Struktur von CCNE1 angesehen hätten, hätten wir diese Bindungstasche überhaupt nicht gefunden.“ sagt Zhang.

Es bedarf weiterer Forschung, um herauszufinden, ob die neuen Verbindungen einen potenziellen Nutzen bei der Behandlung von Krebs oder anderen Krankheiten haben, bei denen CCNE1 eine Rolle spielt. Als nächstes planen die Wissenschaftler, ihre Paralog-Hopping-Methode auf andere Proteinpaare anzuwenden, die für die Tumorentstehung wichtig sind.

Zu den Autoren der Studie gehören neben Cravatt und Zhang auch Zhonglin Liu, Sang Joon Won, Divya Bezwada und Bruno Melillo von Scripps; und 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 und Andrew R. Nager von Pfizer , Inc.