Neue Computerstrategie verbessert die Fähigkeit von Arzneimittelentwicklern, Proteine ​​innerhalb der Membran gezielt anzusprechen

Aufgrund der anspruchsvollen biochemischen Eigenschaften der Membran war es für Arzneimittelentwickler lange Zeit schwierig, in der Zellmembran eingebettete Ziele zu erreichen. Jetzt haben Chemiker von Scripps Research neue maßgeschneiderte Proteine ​​demonstriert, die diese „Intramembran“-Ziele effizient erreichen können.

In ihrer Studie „De-Novo-Transmembranproteine, die einen Zytokinrezeptor binden und hemmen sollen“ veröffentlicht in Naturchemische Biologieverwendeten die Forscher einen einzigartigen computergestützten Ansatz, um neuartige Proteine ​​zu entwickeln, die auf die membrandurchspannende Region des Erythropoietin (EPO)-Rezeptors abzielen, der die Produktion roter Blutkörperchen steuert und bei Krebserkrankungen fehlschlagen kann. Zusätzlich zu diesen neuen EPO-Zielmolekülen lieferte die Studie einen allgemeinen Rechenprozess oder „Workflow“ zur Optimierung des flexiblen, maßgeschneiderten Designs von Proteinen, die auf intramembrane Ziele abzielen.

Die Forscher nutzen ihren Ansatz nun, um potenzielle neue Intramembran-Targeting-Behandlungen für ein breites Spektrum von Krankheiten zu entwickeln.

„Diese Arbeit eröffnet viele neue Möglichkeiten für die Modulation von Zielen innerhalb der Zellmembran, einschließlich für therapeutische Anwendungen und das Verständnis von Signalmechanismen in der gesamten Zellbiologie“, sagt der Co-Korrespondent der Studie, Marco Mravic, Ph.D., Assistenzprofessor an der Universität Abteilung für Integrative Struktur- und Computerbiologie bei Scripps Research.

Die anderen mitkorrespondierenden Autoren der Studie waren Daniel DiMaio, MD, Ph.D., von der Yale School of Medicine; und William DeGrado, Ph.D., von der University of California, San Francisco School of Pharmacy, wo Mravic zuvor promovierte. Student.

„Ein Hauptziel der synthetischen Biologie ist die Entwicklung von Proteinen mit biologischer Aktivität. Hier berichten wir über die Entwicklung und Erprobung eines kleinen Proteins, das gezielt die Aktivität eines viel größeren Proteinrezeptors stört, der am Wachstum und der Differenzierung von Blutzellen beteiligt ist“, sagt DiMaio. Er ist Professor für Genetik sowie Molekulare Biophysik und Biochemie und stellvertretender Direktor des Yale Cancer Center.

„Wir haben dies erreicht, indem wir auf das Segment des Rezeptors abzielten, das die Zellmembran durchdringt. Da viele Zellproteine ​​strukturell konservierte membrandurchdringende Segmente enthalten, kann dieser allgemeine Ansatz auf viele andere Proteinziele anwendbar sein und ein neues Werkzeug zur Modulation des Verhaltens von liefern.“ Zellen.“

Das Erreichen intramembranärer Ziele ist seit langem ein wichtiges Ziel der Biomedizin, da viele Proteine ​​in Zellen – insbesondere Rezeptorproteine ​​– funktionell wichtige Domänen innerhalb der Membran haben. Solche Proteine ​​spielen in fast allen Bereichen der Gesundheit und Krankheit eine herausragende Rolle.

Dennoch sind Intramembranziele keine gewöhnlichen Ziele. Zellmembranen bestehen im Allgemeinen aus zwei Schichten eng beieinander liegender, fettähnlicher „Lipid“-Moleküle, die wasserabweisend sind und andere einzigartige und komplexe Eigenschaften haben. Dies macht den Intramembranraum im Vergleich zu den wässrigen Zonen von Zelloberflächen oder -innenräumen zu einem viel schwierigeren Ziel für Arzneimittelentwickler.

„Es gibt nur sehr wenige erfolgreiche Beispiele für Medikamente, die auf diesen Raum innerhalb der Membran abzielen“, sagt Mravic.

Diese wenigen Erfolge, zu denen auch Behandlungen für Erkrankungen der niedrigen Blutplättchenzahl und Mukoviszidose gehören, sind das Ergebnis von Blind-Screenings großer Substanzbibliotheken oder einer genauen Nachahmung von Proteinen, von denen bekannt ist, dass sie mit Partnerproteinen innerhalb der Zellmembran interagieren.

Im Gegensatz dazu machten sich Mravic und seine Kollegen daran, völlig neuartige Proteine ​​– kleine Proteine, sogenannte Peptide – zu entwickeln, um Proteinziele innerhalb der Membran auf neue und vielfältige Weise zu erreichen. Dazu mussten sie die Grenzen der Rechenmethoden erweitern und „Data Mining“ bekannter Protein-zu-Protein-Wechselwirkungen in Membranen mit traditionellen, auf Physik basierenden Vorhersagen von Protein-Wechselwirkungen kombinieren.

Letztendlich entwarfen Mravic und seine Kollegen die ersten Proteine, die den membrandurchspannenden Teil des EPO-Rezeptors auf eine neue Art und Weise binden, die in der Natur noch nicht vorkommt. Das Team zeigte, dass diese Proteine ​​im Gegensatz zu früheren Ansätzen die Funktion des Rezeptors sehr spezifisch und wirksam blockieren.

Die Ergebnisse könnten von größtem Interesse für Forscher sein, die nach neuen Wegen zur Hemmung des EPO-Rezeptors suchen, der häufig von Tumorzellen abnormal aktiviert wird, um ihr Wachstum und Überleben aufrechtzuerhalten. Doch für Mravic und seine Kollegen stellt die Studie vor allem einen Grundsatzbeweis für einen neuen und flexibleren Ansatz für das Intramembran-Targeting dar.

„Wir beabsichtigen, diesen Ansatz zu nutzen, um Membranproteine ​​in mehreren biologischen Prozessen und Krankheitsbereichen anzugreifen, darunter Krebs, Immunstörungen und Schmerzen“, sagt Mravic.

Er geht außerdem davon aus, dass der von ihm für das Projekt entworfene Rechenablauf ein allgemeiner Beschleuniger für die Entwicklung membranbasierter Arzneimittel sein wird.

„Früher bestand der Prozess im Wesentlichen darin, dass zwei Personen in einem dunklen Raum auf einen Computerbildschirm schauten und sagten: ‚Ja, ich denke, das sieht besser aus als das‘“, sagt Mravic. „Jetzt haben wir einen Großteil dieses Moleküldesignprozesses und der Entscheidungsfindung im Computer automatisiert. Da die Methode modularer, flexibler und rationalisiert ist, ist sie für ein breiteres Spektrum von Wissenschaftlern zugänglicher.“

Mravic und seine Kollegen haben ihre Rechenwerkzeuge zur öffentlichen Nutzung auf veröffentlicht Github.