Wissenschaftler erstellen eine umfangreiche Bibliothek von Verbindungen, um gegen Krankheitsproteine ​​vorzugehen

In den letzten zwei Jahrzehnten haben große genetische Studien Zehntausende DNA-Varianten mit Tausenden menschlichen Merkmalen und Krankheiten in Verbindung gebracht. Die Korrektur der Auswirkungen dieser Varianten auf die Behandlung von Krankheiten wurde jedoch teilweise durch das Fehlen präziser molekularer Instrumente dafür behindert.

Forscher am Broad Institute of MIT and Harvard, am Massachusetts General Hospital und an der Harvard University verfolgten einen neuen Ansatz, indem sie eine bemerkenswert vielfältige Sammlung molekularer Verbindungen aufbauten, die für diejenigen abgebaut werden können, die auf neue Weise auf krankheitsbedingte genetische Varianten abzielen. Dank innovativer chemischer Methoden umfasst die Bibliothek mehr als 3 Millionen Verbindungen, die zwei Proteine ​​zusammenbringen und eines als Schutzschild nutzen sollen, um das andere zu stabilisieren und seine krankheitsbedingten Auswirkungen umzukehren.

Aus ihrer Bibliothek identifizierte das Team eine Verbindung, die auf ein Protein abzielt, das bei einigen Patienten mit Morbus Crohn verändert war, und zeigte, dass es die schädlichen Auswirkungen der Variante auf die Zelle umkehren kann. Der Ansatz könnte möglicherweise verwendet werden, um Proteine ​​mit anderen funktionellen Wirkungen zu rekrutieren oder auf Krankheitsrisikofaktoren nur in bestimmten Zelltypen oder Geweben abzuzielen.

Das neue Werk erscheint In Zellchemische Biologie.

„Fortschritte in der Chemie kleiner Moleküle haben uns eine echte Chance gegeben, präzise Ansätze zur Korrektur, Modifizierung oder Aktivierung genetischer Varianten zu entwickeln“, sagte Ramnik Xavier, Kernmitglied des Instituts, Direktor des Immunologieprogramms und Co-Direktor von das Programm für Infektionskrankheiten und Mikrobiome am Broad. „In dieser Studie haben wir auf unserem mechanistischen Verständnis dieser Morbus-Crohn-Variante aufgebaut, um ein leistungsfähiges chemisches Werkzeug zur Korrektur der Variante zu entwickeln und gleichzeitig die Funktion des Gens aufrechtzuerhalten.“

Xavier ist außerdem Professor an der Harvard Medical School und am Massachusetts General Hospital und leitete die Arbeit zusammen mit Co-Senior-Autor Stuart Schreiber, einem emeritierten Gründungsmitglied des Kerninstituts des Broad, und dem Erstautor Zher Yin Tan, einem Doktoranden der Abteilung Er studierte Chemie und Chemische Biologie in Harvard bei Schreiber und Xavier.

Eine neue Gruppe von Klebstoffen

Auf der Suche nach Verbindungen, die krankheitsbedingte Proteine ​​auf neue Weise verändern, haben Forscher sogenannte „Chemical Inducer of Proximity“ (CIPs) entwickelt, zu denen molekulare Klebstoffe und bifunktionale Verbindungen gehören. Diese Verbindungen bringen zwei Proteine ​​in der Zelle zusammen, die normalerweise nicht zueinander finden – ein „Ziel“-Protein (häufig dasjenige, das sich bei einer Krankheit verändert) und ein „Präsentator“-Protein, das eine gewisse Wirkung auf das Ziel hat.

Bisher zielten die meisten CIP-Bibliotheken darauf ab, den Abbau des funktionsgestörten Proteins durch die zelleigene Abfallverarbeitungsmaschinerie auszulösen und so seine krankheitsverursachenden Auswirkungen zu verringern.

In der neuen Studie wollten die Forscher eine vielfältige Bibliothek potenzieller CIPs aufbauen, die etwas anderes tun könnten, als das Zielprotein abzubauen. Als Presenter-Protein wählten sie FKBP12, ein gut untersuchtes Protein, das in menschlichen Zellen reichlich vorhanden ist.

Das Team stellte die Hypothese auf, dass FKBP12, wenn es von einem CIP angegriffen wird, als Schutzschild fungieren könnte, um ein Zielprotein vor Enzymen zu schützen, die es andernfalls abbauen würden, und es dadurch effektiv stabilisiert. Für einige krankheitsbedingte Proteine ​​könnte dies ausreichen, um ihre normale Funktion zur Behandlung von Krankheiten wiederherzustellen.

Ziel des Teams war es, mit seiner Bibliothek so viel „chemischen Raum“ wie möglich abzudecken, indem es eine große Vielfalt an molekularen Komponenten generierte, die ein Zielprotein erkennen und binden könnten. Jede Verbindung enthält außerdem ein Motiv, das FKBP12 bindet, sodass es an das Ziel rekrutiert werden kann.

Darüber hinaus fügten sie jeder Verbindung einen einzigartigen DNA-Barcode hinzu – solche „DNA-kodierten Bibliotheken“ ermöglichen es Forschern, Millionen bis Milliarden von Verbindungen in einem einzigen experimentellen Screening effizient zusammenzufassen. Das Team untersuchte auch eine Vielzahl von Verbindungselementen, um die Komponenten jeder Verbindung miteinander zu verbinden, indem es starre Linker mit unterschiedlichen Winkeln und Längen anstelle der langen, schlaffen Kettenlinker verwendete, die in früheren CIP-Bibliotheken verwendet wurden.

Mit verschiedenen Kombinationen verschiedener Linker und Zielbindungselemente erstellte das Team eine CIP-DNA-kodierte Bibliothek (CIP-DEL) von mehr als 3 Millionen einzigartigen Verbindungen, die FKBP12 rekrutieren. Um das Potenzial ihrer Bibliothek zur Entdeckung nützlicher neuer CIPs zu demonstrieren, nahmen sie eine genetische Variante, ATG16L1 T300A, ins Visier, die mit einem Risiko für Morbus Crohn verbunden ist.

Eine Rolle des ATG16L1-Gens besteht darin, die Autophagie zu erleichtern, einen entscheidenden Prozess, der schädliche Bakterien und Abfallstoffe aus Zellen entfernt. Eine zehnjährige Arbeit im Xavier-Labor hatte gezeigt, dass die ATG16L1-T300A-Variante dieses Gens die Autophagie beeinträchtigt, da das von ihr kodierte Protein anfälliger für die Spaltung durch das Enzym Caspase-3 ist. Daher dachte das Team, dass der Schutz des Proteins vor der Spaltung mit einem CIP dazu beitragen könnte, die Autophagie wiederherzustellen und die Zelle wieder in einen gesunden Zustand zu versetzen.

In einem experimentellen Screening identifizierte das Team eine Verbindung, die mit der ATG16L1-Proteinvariante interagierte. Durch weitere Tests an menschlichen und Mauszellen zeigten sie, dass es das Protein stabilisierte, es vor der Caspase-3-Spaltung schützte und die Beeinträchtigung der Autophagie und anderer zellulärer Prozesse umkehrte, ohne die Caspase-3-Aktivität zu beeinträchtigen, die durchgehend andere entscheidende Rollen in Zellen spielt der menschliche Körper.

„In den neuen Chemieansätzen molekularer Klebstoffe, DNA-kodierter Bibliotheken und Chemo-Proteomik steckt so viel Potenzial“, sagte Xavier. „In Kombination mit der Humangenetik und einem tiefen mechanistischen Verständnis eröffnen sie uns innovative Möglichkeiten, potenzielle neue Therapiestrategien zu verfolgen.“

Als nächstes wollen die Forscher eine Version der Verbindung entwickeln, die in Tiermodellen funktioniert, um weitere therapeutische Möglichkeiten zu erkunden. Sie hoffen auch, dass andere die CIP-DEL-Bibliothek so anpassen, dass sie auf verschiedene Krankheitsvarianten abzielen und Presenter-Proteine ​​mit anderen Funktionalitäten rekrutieren, beispielsweise die Störung von Proteininteraktionen oder intrazellulären Signalwegen.

Und durch die Auswahl von Presenter-Proteinen, die nur in bestimmten Zelltypen vorkommen, könnte eine Bibliothek CIPs aufdecken, die noch präziser arbeiten, indem sie Zellen nur in von der Krankheit betroffenen Geweben und nicht im gesamten Körper verändern.

„Unser Ansatz ist ein Plug-and-Play-System“, sagte Tan. „Abhängig von der Krankheit und den molekularen Mechanismen, die Sie untersuchen möchten, können Sie eine einzigartige Bibliothek entwerfen, um die Arten von Verbindungen zu finden, nach denen Sie suchen. Wir können viel mehr chemischen Raum abdecken und hoffen, dazu beitragen zu können.“ therapeutisches Werkzeugkasten, um neue Wege der Intervention bei menschlichen Krankheiten zu eröffnen.