Клетки постоянно контролируют и перерабатывают свои белки с помощью строго регулируемой системы утилизации отходов. Белки, которые больше не нужны, помечаются и расщепляются специализированными клеточными механизмами. Недавние достижения в разработке лекарств направлены на использование этой системы путем ее перенаправления на мишени, имеющие отношение к заболеваниям. Эта стратегия основана на так называемых молекулярных клеях — небольших молекулах, которые вызывают взаимодействие между белками, которые обычно не связываются друг с другом. Если вызывающий заболевание белок может вступить в контакт с клеточным ферментом деградации, он избирательно удаляется самой клеткой. Однако до сих пор большинство молекулярных клеев были обнаружены случайно, что ограничивает их более широкое терапевтическое применение.
Крупномасштабные химические процессы сочетаются с клеточным скринингом
Новый метод, разработанный группами Георга Винтера (научный директор Научно-исследовательского института биомедицинского искусственного интеллекта AITHYRA и приглашенный главный исследователь Научно-исследовательского центра молекулярной медицины CeMM в Вене, Австрия) и Михаэля Эрба (доцент Научно-исследовательского института Скриппса в Ла-Хойе, Калифорния, США), устраняет это ограничение. Начиная с небольшой молекулы, уже связывающейся с целевым белком, исследователи создали тысячи химических вариантов, систематически присоединяя различные молекулярные строительные блоки. Каждый вариант незначительно изменяет форму поверхности белка, потенциально обеспечивая новые белково-белковые взаимодействия.
Что особенно важно, эти соединения тестировались непосредственно в живых клетках , без предварительной очистки, с использованием чувствительного анализа, который показывает, происходит ли деградация целевого белка. Это позволило быстро идентифицировать активные соединения из обширного химического пространства.
«Наш подход сочетает высокопроизводительную химию с функциональным тестированием в клетках, — говорит Мигель Муньос и Ордоньо, соавтор исследования и аспирант лаборатории Георга Винтера. — Это позволяет нам изучать химическое разнообразие в масштабах, которые ранее были непрактичны, и сразу же определять, какие соединения обладают желаемым биологическим эффектом».
Селективный деградатор белка, ассоциированного с лейкемией
В качестве подтверждения принципа действия исследователи сосредоточились на ENL — белке, играющем центральную роль в некоторых формах острого лейкоза. Из нескольких тысяч протестированных соединений команда выявила молекулу, которая эффективно и избирательно вызывает деградацию ENL в лейкемических клетках.
Дальнейшие анализы показали, что это соединение в первую очередь воздействует на ENL и нижестоящие генные программы , контролируемые этим белком, что приводит к значительному снижению роста ENL-зависимых лейкемических клеток. Они также выявили, что соединение действует посредством кооперативного механизма, характерного для молекулярных клеев. Вместо того чтобы прочно связываться со всеми партнерами по взаимодействию, оно сначала связывается с ENL, а затем создает новую поверхность взаимодействия, которая привлекает клеточную убиквитинлигазу, которая помечает ENL для деградации.
«Именно такой кооперативный механизм действия делает молекулярные клеи одновременно мощными и избирательными», — объясняет Винтер. «Соединение становится активным только в правильном молекулярном контексте, что помогает ограничить нежелательные эффекты».
Систематическое открытие молекулярных клеев
Помимо конкретного примера ENL, исследование, опубликованное в журнале Nature Chemical Biology, демонстрирует широко применимую стратегию поиска. Объединив высокопроизводительную химию с функциональным скринингом в клетках, исследователи показывают, как идентификация молекулярных «клеев» может быть преобразована из случайного процесса в систематический рабочий процесс.
«Наша цель — сделать разработку лекарств, стимулирующих сближение белков, доступной рациональным и масштабируемым способом», — говорит Винтер. «В долгосрочной перспективе это может открыть совершенно новые терапевтические возможности для белков, которые ранее считались недоступными для лекарственной терапии».
