Die Suche nach neuen Möglichkeiten, das Wachstum von Krebszellen zu blockieren, gleicht der Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Tumorzellen sind auf Tausende von Proteinen angewiesen, um zu funktionieren, aber nur auf wenige dieser Proteine können Medikamente gezielt wirken, um Krebs sicher und wirksam zu behandeln. Jetzt hat ein Team von Scripps Research und dem Broad Institute of Harvard and MIT eine neue Methode entwickelt, um neue Wirkstoffziele zu finden, die am wahrscheinlichsten mehrere Krebsarten beeinflussen.
Die Forschung, veröffentlicht in Naturchemische Biologie am 2. Oktober 2023 nutzte einen präzisen Gen-Editing-Ansatz, um mehr als 13.000 mögliche Wirkstoffziele zu verändern und zu bestimmen, welche Veränderungen das Zellwachstum beeinflussten. Die Integration dieser Daten mit chemischen Proteominformationen deutete auf Hunderte möglicher Wirkstoffziele hin, von denen viele in der Vergangenheit nie verfolgt wurden.
„Dieser Ansatz integriert zwei innovative Methoden, die zusammen eine Target- und Wirkstoffentdeckungsstrategie für die Nominierung neuer Krebsbehandlungen bilden“, sagt der leitende Autor Benjamin Cravatt, Ph.D., Norton B. Gilula-Lehrstuhl für Chemische Biologie und Chemieprofessor an der Scripps Forschung. „Es liefert präklinische Informationen darüber, welche der Tausenden verschiedenen Proteinstellen das Wachstum von Krebszellen am wahrscheinlichsten beeinflussen.“
Im Laufe des letzten Jahrzehnts haben sich Forschungschemiker und Pharmaunternehmen für eine Medikamentenklasse begeistert, die durch dauerhafte Bindung an Cysteine wirkt – eine der zwanzig Aminosäuren, die in verschiedenen Kombinationen alle menschlichen Proteine bilden.
Die einzigartige reaktive Chemie von Cysteinen macht sie zu einfachen und idealen Angriffspunkten für Medikamente. Da es aber Hunderttausende von Cysteinen gibt, die über menschliche Proteine verstreut sind, ist es äußerst schwierig, einzugrenzen, welche davon mit Medikamenten angegriffen werden sollen. Selbst unter den wenigen tausend Proteinen, die als entscheidend für das Wachstum von Krebszellen identifiziert wurden, gibt es immer noch mehr als 13.000 Cysteine.
„Wir brauchten eine Möglichkeit, die Liste auf Cysteine einzugrenzen, die einen wichtigen funktionellen Einfluss auf krebsrelevante Proteine haben“, sagt Haoxin Li, Postdoktorand bei Scripps Research und Erstautor der neuen Arbeit.
Als Doktorand arbeitete Li am Broad Institute unter der Aufsicht von Stuart Schreiber, der menschliche genetische Variationen nutzt, um die Arzneimittelentwicklung zu beeinflussen. Inspiriert von diesem Ansatz fragte sich Li, wie er präzise Genom-Engineering-Techniken und modernste chemische Proteom-Tools kombinieren könnte, um die nächste Generation von Krebstherapeutika zu finden.
Als Li in Cravatts Labor bei Scripps Research eintrat, startete er eine Zusammenarbeit mit David Liu, Kernmitglied des Broad Institute, dessen Labor die Entwicklung des Base Editing (eine Methode zur präzisen Änderung von DNA-Buchstaben) anführte. Anschließend nutzte Li die Baseneditierung, um gezielte Aminosäureveränderungen in Krebszellen herbeizuführen. Er vermutete, dass er durch die Einführung einer Vielzahl von Cystein-zielgerichteten Mutationen mehr darüber erfahren könnte, welche Cysteine für Krebszellen am relevantesten sind.
In der neuen Arbeit bearbeiteten Li, Cravatt und Kollegen 13.800 Stellen auf mehr als 1.750 Genen, die zuvor mit dem Überleben von Krebszellen in Zusammenhang standen. In jedem Fall zielte die Bearbeitung auf ein Cystein am entsprechenden Protein ab. Anschließend testeten sie, wie gut Krebszellen mit der Mutation wuchsen. Darüber hinaus verknüpften sie ihre Erkenntnisse mit neuen Daten zur „Drugability“ dieser Cysteine. Sie fanden schließlich heraus, dass etwa 160 der arzneilich nutzbaren Cysteine, wenn sie bearbeitet wurden, das Wachstum von Krebszellen beeinflussten – was darauf hindeutet, dass Medikamente, die an diese Cysteine binden, möglicherweise bei der Behandlung von Krebs wirken könnten.
Zu den Änderungen mit den größten Auswirkungen gehörte eine Änderung des krebsabhängigen Proteins TOE1. Obwohl bekannt ist, dass TOE1 eine wichtige Rolle beim Trimmen der Enden der RNA-Moleküle der Zelle spielt, wurde es nicht als Ziel für Krebsmedikamente untersucht. Das Team von Li und Cravatt zeigte jedoch, dass kleine Moleküle genutzt werden können, um diese „Achillesferse“ der Krebszellen anzugreifen.
„Wir haben Verbindungen gefunden, die auf TOE1 abzielen, und haben gezeigt, dass sie seine normale Aktivität durch einen faszinierenden Mechanismus blockieren können, der wahrscheinlich das Wachstum von Krebszellen beeinflusst“, sagt Li.
Es bedarf weiterer Forschung, um zu zeigen, ob ein Medikament, das auf TOE1 abzielt, bei menschlichen Patienten nützlich sein könnte, aber die ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Ansatz der Bearbeitung von Cysteinen wirksam war, um vorherzusagen, welche Cysteine als Medikamentenziele fungieren könnten.
Die Forscher planen nun, weitere neuartige Ziele zu untersuchen, die ihre Experimente enthüllten. Sie sagen auch, dass derzeit die nächste Generation chemisch-genetischer Ansätze entwickelt wird, um medikamentöse Cysteine bei anderen Krankheiten als Krebs zu untersuchen.
Zu den Autoren der Studie „Zuweisung von Funktionalität an Cystein durch Basenbearbeitung von Krebsabhängigkeitsgenen“ gehören neben Cravatt und Li auch Jarrett Remsberg, Sang Joon Won, Kristen DeMeester, Evert Njomen, Daisuke Ogasawara und Bruno Melillo von Scripps; Kevin Zhao, Tony Huang, Stuart Schreiber und David Liu vom Broad Institute of Harvard und MIT; Bingwen Lu und Gabriel Simon von Vividion Therapeutics; und Tiantai Ma und Jens Lykke-Andersen von der UC San Diego.
Mehr Informationen:
Haoxin Li et al, Zuweisung von Funktionalität zu Cysteinen durch Baseneditierung von Krebsabhängigkeitsgenen, Naturchemische Biologie (2023). DOI: 10.1038/s41589-023-01428-w