Forskere opdager molekyler usædvanlige celle-dræbende mekanisme

Kort efter at Jake Eaton kom til Stuart Schreibers laboratorium på Broad Institute of MIT og Harvard i 2015, postdoc-forskeren blev fascineret af nogle vilde teorier, der blev debatteret af hans kolleger. Teorierne centrerede sig om et mærkeligt lille molekyle kendt som ML210, som kan dræbe celler ved at sætte gang i en cellulær proces kaldet ferroptose. Vasanthi Viswanathan, en postdoc i Schreiber-laboratoriet, havde opdaget, at inducering af ferroptose kunne dræbe nogle lægemiddelresistente kræftceller. Eaton, Viswanathan, og Schreiber mente, at forståelse af, hvordan ML210 udløser den proces, kunne låse op for hemmeligheder for, hvordan man udvikler lægemidler til behandling af kræftformer, der er resistente over for eksisterende behandlinger, eller forhindrer modstand i første omgang.

Eaton og hans kolleger vidste, at ML210 -forbindelsen inducerer ferroptose ved at hæmme GPX4, et protein, der beskytter celler mod oxidativt stress. De spekulerede i, at det gjorde det ved at danne en bestemt type kemisk forbindelse, kaldet en kovalent binding, med proteinet. Problemet var, den kemiske struktur af ML210 viste ingen åbenlyse måder, hvorpå den kunne danne kovalente bindinger, førte til nogle vidtløftige spekulationer fra skeptiske videnskabsmænd om, hvordan det var i stand til at binde GPX4.

"Vi undrede os over, 'Binder det GPX4 på en anden måde? Virker den på andre noder i GPX4-stien, eller laver noget helt nyt?', " sagde Eaton. "Det var et rigtigt kemisk mysterium."

Nu, efter års arbejde, forskere ved Broad Institute, i samarbejde med forskere ved Bayer, har løst denne kemiske gåde. I en undersøgelse i Naturens kemiske biologi , de viser, at ML210 transformeres inde i cellen til et nyt molekyle, som omdannes til et tredje molekyle, der derefter kovalent binder GPX4. Mekanismen, de afslørede, er ekstremt usædvanlig og demonstrerer en ikke-værdsat måde, hvorpå "pro-drugs" som ML210 kan omdannes til molekyler, der er i stand til kovalent at binde målproteiner i celler.

I arbejdet, forskerne beskriver et nyt sæt af forbindelser, som forskerne kan bruge til at lære mere om, hvordan celler gennemgår ferroptose, en proces, der blev opdaget for kun ti år siden. Ud over, molekylerne er udgangspunkt for udvikling af forbindelser, der kan hæmme GPX4 og dræbe lægemiddelresistente kræftceller, ikke kun i et fad, men potentielt også i dyremodeller og endda patienter.

"Jeg kan huske, at jeg sagde, 'Jeg frygter, at jeg vil tage dette ML210-mysterium i min grav', " sagde co-senior forfatter Schreiber, som er medstifter af og kerneinstituttmedlem ved Broad og Morris Loeb-professor ved Institut for Kemi og Kemisk Biologi ved Harvard University. "Som at skrælle de mange lag af et løg, Jake har afsløret, trin for trin, den fascinerende sekvens af kemiske reaktioner, som celler giver ML210, som har meget lidt forrang i organisk kemi. Det var et strålende arbejde med molekylær efterforskning af Jake."

Detektiv arbejde

Ferroptose blev først formelt beskrevet for næsten et årti siden af ​​Brent Stockwell, en tidligere studerende i Schreibers laboratorium, som nu er professor ved Columbia University. Ved ferroptose, lipidmolekyler i cellemembranen oxideres, fører til en ophobning af giftige molekyler kaldet lipidperoxider, der til sidst dræber cellen. GPX4 beskytter celler mod denne form for død ved at omdanne lipidperoxider til ikke-toksiske forbindelser.

Viswanathan, en transplantation fra Stockwell -laboratoriet til Schreiber -laboratoriet, begrundet, at et molekyle, der forstyrrer GPX4, kunne være inspirationen til en ny slags kræftlægemiddel. Imidlertid, GPX4 er et udfordrende mål, fordi den er flad, den karakteristiske kemiske struktur har ikke noget indlysende sted, som stoffer kan binde sig til.

I 2010 en lille molekyle opdagelsesindsats kaldet Molecular Libraries Probe Production Centers Network, delvist baseret på Broad Institute, havde afsløret nogle få forbindelser, der binder GPX4 og inducerer ferroptose - to af disse tilhører en klasse af molekyler kendt som chloracetamider, som binder GPX4 kovalent. Men disse forbindelser er ikke gode kandidater til lægemiddeludvikling eller i dyreforsøg, fordi de er meget reaktive og vil forstyrre mange andre proteiner, fører til utilsigtede bivirkninger. Det er også usandsynligt, at de vedvarer i kroppen længe nok til at binde og blokere GPX4.

En tredje forbindelse fra 2010 -skærmen var ML210, en "outlierforbindelse", der er kemisk adskilt fra chloracetamiderne. Eaton og Viswanathan undersøgte data om ML210 fra Cancer Therapeutics Response Portal, en database udviklet af forskere på Broad og delvist sponsoreret af National Cancer Institute. Ud fra data, det lignede, at ML210 virkede på samme måde som chloracetamiderne ved at danne en kovalent binding med GPX4. Det, der forskød forskerne, var, at ML210 ikke indeholder et "kovalent sprænghoved, "en vigtig kemisk struktur, der ville gøre det muligt at parre med GPX4 på denne måde.

Bindende mysterium

For at undersøge, hvordan ML210 hæmmer GPX4, holdet havde brug for bedre metoder til at studere GPX4 i laboratoriet. Med kolleger hos Bayer, de udviklede et system til at overudtrykke proteinet i pattedyrsceller og producerede assays for at studere, hvordan molekyler interagerer med det.

"En af de store ting ved dette særlige industri-akademiske samarbejde har været at overvinde nogle af de problemer, vi har stået over for i denne forskning, " sagde Eaton. "Jeg tror ikke, vi ville have overvundet disse udfordringer på egen hånd."

Analyserne bekræftede, at ML210 var, faktisk, hæmmer GPX4 gennem kovalent binding, og at det gjorde så meget mere præcist end de to chloracetamider.

Dette tip førte Eaton til yderligere kemisk detektivarbejde, som afslørede, at ML210 gennemgår et par usædvanlige kemiske transformationer i cellen for at opnå evnen til at binde og hæmme GPX4. ML210 omdannes først til en forbindelse, som holdet kaldte JKE-1674. Cellen omdanner denne forbindelse til et andet usædvanligt molekyle kaldet JKE-1777, som er i stand til kovalent at binde GPX4.

Selvom JKE-1777 er ustabil uden for cellen, JKE-1674 og relaterede forbindelser, som teamet syntetiserede, er stabile og selektive for GPX4, og er mere egnede end ML210 til brug i dyremodeller eller måske endda patienter.

Enestående maskiner

I et relateret papir i Journal of the American Chemical Society , forskerne beskriver et andet sæt forbindelser kendt som diacylfuroxaner, der også hæmmer GPX4 kovalent. Selvom disse forbindelser ikke er så selektive som ML210 eller JKE-1674, og det er usandsynligt, at de er nyttige terapeutisk, ledsagerundersøgelsen hjalp forskerne med at forstå de nye observationer i ML210-undersøgelsen.

"Disse forbindelser er molekylære maskiner, der er uden fortilfælde i kemisk biologis historie for de usædvanlige flerlagede kemiske egenskaber, der ligger til grund for deres specificitet, " sagde co-senior forfatter Vasanthi Viswanathan, en postdoktor i Schreiber-laboratoriet.

Der er mere arbejde tilbage for at bestemme, hvilke cellulære processer der styrer transformationen af ​​ML210 til dens aktive form, og om nogen af ​​molekylerne kan bruges i dyremodeller eller endda i mennesker som terapeutiske forbindelser.

Hvis molekylerne eller varianterne af dem viser sig lovende som nye terapeutiske midler, de kan give anledning til en ny klasse af lægemidler, der en dag kan hjælpe med at bekæmpe lægemiddelresistente tumorer.