Neue Proteinstrukturen zur Unterstützung des rationalen Arzneimitteldesigns

In einem großen Fortschritt für das rationale Arzneimitteldesign hat ein Team von Texas A&M AgriLife mehrere Proteinstrukturen eines entscheidenden Akteurs in zellulären Prozessen beschrieben. Der Fortschritt könnte neue Ideen für die Behandlung von Krankheiten wie Alzheimer, AIDS, Krebs und anderen hervorbringen.

Insbesondere beschreibt die Arbeit die C1-Domäne der Proteinkinase C, PKC, die hilft, die Aktivität des Proteins in Organismen zu regulieren. In den Strukturen umschließt die C1-Domäne verschiedene Moleküle von großem therapeutischem Interesse und liefert damit den ersten zuverlässigen Leitfaden mit atomarer Auflösung für die Entwicklung von Arzneimittelkandidaten.

Veröffentlicht am 16. Mai in Naturkommunikation, die Forschung wurde von Tatyana Igumenova, Ph.D., außerordentliche Professorin in der Abteilung für Biochemie und Biophysik am Texas A&M College of Agriculture and Life Sciences, geleitet. Der Hauptautor des Projekts ist Sachin Katti, Ph.D., ein Postdoktorand, der mit Igumenova zusammenarbeitet.

Die Studie umfasste eine Zusammenarbeit mit Inna Krieger, Ph.D., wissenschaftliche Assistenzprofessorin, und James Sacchettini, Ph.D., Professor, beide in der Abteilung für Biochemie und Biophysik.

Eine der gefragtesten Proteinstrukturen

Eine gesunde Zelle reagiert auf präzise und komplizierte Weise auf chemische Signale. Chemische Inputs aus der Zellumgebung aufzunehmen und an die zentralen Steuerungssysteme im Zellkern weiterzuleiten, ist die Aufgabe spezialisierter Proteine ​​wie PKC.

Unsachgemäße PKC-Aktivität zeigt sich bei vielen Erkrankungen des Menschen. Infolgedessen besteht großes Interesse daran, Wege zur Feinabstimmung der PKC-Aktivität mit Medikamenten zu finden. Das Design solcher Medikamente wird neue Ansätze für die Behandlung von Alzheimer, AIDS, Krebs und mehr bieten.

„Proteinkinase C ist eines der am intensivsten untersuchten Proteine ​​in der Zellbiologie und Pharmakologie“, sagte Igumenova. „Eine große Hürde war der Mangel an präzisen strukturellen Informationen, um die Bemühungen zur Entwicklung von Arzneimitteln zu lenken.“

Eine Komplikation für das Arzneimitteldesign besteht darin, dass die PKC-Familie 11 Mitglieder hat. Verschiedene Mitglieder der PKC-Familie können entgegengesetzte physiologische Wirkungen haben, daher muss ein erfolgreicher Arzneimittelkandidat selektiv auswählen, auf welche PKC er abzielt.

Dazu müssen Medikamentenkandidaten wie ein Schlüssel in ein Schloss zu einer Ziel-PKC passen. Aber die Bestimmung der 3D-Struktur einer PKC „on-switch“ – der C1-Domäne – die an PKC-Aktivatoren gebunden ist, war nicht einfach.

Proteinstrukturen werden typischerweise mit Röntgenkristallographie gelöst. Die Technik beinhaltet die Verwendung von Röntgenstrahlen, um die Position von Atomen in einem Kristall zu bestimmen. Für diese Methode müssen die Forscher Bedingungen schaffen, unter denen das interessierende Protein kristallisiert. Intensive Bemühungen in vielen Forschungslabors in den letzten drei Jahrzehnten konnten jedoch keine Kristalle von C1-Domänen liefern, die an relevante Liganden gebunden sind. Aufgrund dieses mangelnden Fortschritts erklärten mehrere Forscher die Aufgabe für unmöglich, sagte Igumenova.

Lösung eines 30-jährigen Problems

Katti und Igumenova akzeptierten das Problem als Herausforderung und beschlossen stattdessen, die Moleküle in Lösung mit kernmagnetischer Resonanz, NMR und Spektroskopie zu untersuchen. Dazu gehörte es, die richtigen Komponenten zu finden, um Zellmembranen nachzuahmen, wo die C1-Domäne auf Liganden treffen würde.

„Dann, eines schönen Tages, entdeckte Sachin, dass sich Kristalle in einem alten NMR-Röhrchen bildeten“, sagte Igumenova. „Ich gebe Sachin alle Ehre, der im Grunde sagte: ‚Ich werde sie testen und sehen, ob sie tatsächlich das Protein sind.‘ Und er hatte recht. Es gab uns die Zuversicht, dass eine Kristallisation möglich ist.“

Katti wiederum schenkt den Erkenntnissen aus der NMR Glaubwürdigkeit und ein bisschen Glück.

„Ich denke, das ist das Schöne an der Forschung, bei der man mehrere Ansätze verwenden muss“, sagte er. „Man weiß nie, wann ein Ansatz nützlich ist, um etwas mit anderen Ansätzen zu tun.“

Erkenntnisse aus NMR- und Röntgenkristallographie

Die neuen Proteinstrukturen haben zusammen mit den NMR-Ergebnissen des Teams bereits interessante Informationen geliefert. Ein langjähriges Rätsel war, wie C1-Domänen Liganden mit sehr unterschiedlichen chemischen Strukturen aufnehmen können, sagte Igumenova.

„Unsere früheren NMR-Arbeiten zeigten, dass die Schleifen der C1-Domäne, die Liganden binden, sehr dynamisch sind“, sagte Igumenova. „Diese C1-Domäne ist wie ein PAC-Mensch. Sie bindet an die Membran und sucht dann nach einem Liganden. Sobald sie den Liganden findet, rastet sie ein.“

Außerdem zeigt die Struktur, dass die Ligandenbindungsrille unten eine „wasserliebende“ oder hydrophile Oberfläche und oben eine „wasserabweisende“ oder hydrophobe Oberfläche aufweist.

„Wenn Sie an ein Lipidmolekül denken, ist die Kopfgruppe hydrophil und der Schwanz hydrophob“, sagte Igumenova. „Wenn also C1-Domänen Lipidliganden binden, stimmen die Muster überein.“

Zu den Ergebnissen des Teams gehört die Struktur einer C1-Domäne, die an ihren natürlichen Liganden, Diacylglycerol, gebunden ist. Darüber hinaus beschreibt das Team mehrere andere Strukturen von C1, die verschiedene Verbindungen von pharmakologischem Interesse beinhalten.

Die Arbeit biete auch eine Methode zum Testen verschiedener Medikamentenkandidaten, sagte Katti.

„Wenn Sie Fische studieren wollen, wollen Sie sie im Wasser studieren“, sagte Katti. „Jetzt wissen wir, wie man eine membranähnliche Umgebung schafft, in der diese sehr hydrophoben Verbindungen auf C1-Bindung getestet werden können.“

Als nächstes planen Katti und Igumenova, C1-Domänen von anderen Mitgliedern der PKC-Familie zu erforschen.

„Für uns ist es wichtig, uns auf C1-Domänen zu konzentrieren, da sie inhärente Unterschiede aufweisen, die ausgenutzt werden können, um Selektivität zu erreichen“, sagte Igumenova. „Was wir jetzt feststellen, ist, dass nicht alle C1-Domains gleich sind.“