Kemikere laver molekylære skalpeller for at fjerne uønskede proteiner fra celleoverflader

Når videnskabsmænd finder et potentielt farligt protein på en celle, de forestiller sig måske at krympe sig selv for at blive små kirurger, skærer netop det problematiske molekyle ud og efterlader de sunde dele af cellen intakte. Mens behændige hænder og skarpe instrumenter aldrig ville være i stand til at udskære et enkelt protein fra overfladen af ​​en celle, et nyt molekylært værktøj kunne gøre cellulær kirurgi lettere, ifølge en undersøgelse offentliggjort i Natur den 29. juli.

Stanford-kemikere har udviklet en ny klasse af molekyler, der transporterer uønskede proteiner fra overfladen eller det omgivende miljø af en celle ind i lysosomet, det cellulære rum dedikeret til proteinnedbrydning. Disse molekyler, kaldet lysosom-målrettede kimærer, eller LYTAC'er, arbejde ved selektivt at mærke et protein med en etiket, der forsegler dets skæbne til cellulær affaldsbortskaffelse. Denne selektive nedbrydning kan hjælpe forskere med at studere og behandle sygdomme som kræft og Alzheimers, hvis årsager er knyttet til overfladeproteiner.

"Det er ligesom en molekylær skalpel, " sagde hovedforfatter Steven Banik, en postdoc i laboratoriet hos Carolyn Bertozzi, Anne T. og Robert M. Bass Professor ved Institut for Humaniora og Naturvidenskab. "Dette værktøj giver dig mulighed for at accelerere den naturlige nedbrydning af et individuelt protein blandt alle de forskellige proteiner, der er på eller uden for en celle."

Proteiner er afgørende for mange biologiske processer som metabolisme og intercellulær kommunikation, men nogle kan også hjælpe sygdomme som kræft med at sprede sig og undgå immunregulering. Traditionelle metoder til at hæmme disse dårlige skuespillere involverer brug af lægemidler, der blokerer proteinets aktive sted, hvor andre cellulære komponenter kan docke, mens proteinet arbejder på dem, normalt ved at flytte atomer rundt. Men denne blokeringsstrategi er ufuldkommen; nogle gange er bindingslommen for lav, og inhibitoren springer for hurtigt af. Andre gange, et proteins aktivitet stammer fra dets fysiske egenskaber, som dens stivhed, og ikke fra noget aktivt websted, så blokering af en lille del af hele proteinet er utilstrækkeligt. I disse tilfælde, at dræne cellen for proteinet er den eneste mulighed.

Proteinnedbrydning som en terapeutisk strategi har været særlig populær siden udviklingen af ​​PROTAC'er, eller proteolyse rettet mod kimærer, for 20 år siden. PROTAC'er, som opsøger og mærker intracellulære proteiner til nedbrydning, har set succes i forskningslaboratorier og i tidlige kliniske undersøgelser, men de er afhængige af en nedbrydningsvej, der er utilgængelig for de omkring 40 procent af alle proteiner, der sidder på toppen af ​​eller uden for en cellemembran. Bertozzi og Banik accepterede ikke, at visse proteiner - og sygdomme - ville være uden for rækkevidde.

"Mit laboratorium har altid været interesseret i, hvad der sker på celleoverfladen, som indeholder alle disse proteiner, der er vigtige for immunmodulation, sagde Bertozzi, som også er Baker Family Co-Director for Stanford ChEM-H. "Vi har identificeret mange overflade- og udskilte proteiner, som vi tror spiller patogene roller i cancer, og LYTAC'er kunne hjælpe os med bedre at forstå dem og udforske dem som lægemiddelmål."

Nøglen til at få værktøjet til at fungere er dets bifunktionelle design. Den ene side af dette molekyle kan skræddersyes til at binde til ethvert protein af interesse. På den anden side er en kort aminosyresekvens, eller peptid, besat med et sukker kaldet mannose-6-phosphat.

Dette sukker tjener som bogholderi-etiket for cellen. Når cellen opbygger proteiner, der hører hjemme i lysosomet, det klæber på disse sukkerarter for at sikre, at de når deres destination. "Mannose-6-phosphat fungerer som et postnummer, " sagde Banik. "Disse sukkerarter fortæller cellen, 'Jeg tager dette protein til lysosomet. Send mig venligst derhen." Der er receptorer på celleoverfladen, der interagerer med denne sukkerbelægning, og når de griber fat i et LYTAC-molekyle og trækker det ind i cellen, de mærkede proteiner trækkes ind sammen med det.

Ved at knytte denne etiket til proteiner, LYTAC'er kaprer en naturlig cellulær shuttling-mekanisme designet til at eskortere nysyntetiserede lysosomale proteiner til deres nye hjem. Men mens lysosomale proteiner er hårde nok til at overleve de nedbrydende enzymer, de møder i lysosomet, de fleste proteiner er ikke, så dem, der er mærket med LYTAC-metoden, bliver normalt ødelagt.

Stanford-forskerne viser, at i celler, de kan målrette og nedbryde proteiner, der er vigtige ved Alzheimers sygdom og kræft. Ifølge dem, den proteinbindende ende af LYTAC kan være alt, der binder til et protein, som et antistof eller et eksisterende lægemiddel, så i fremtiden, mange andre proteiner og sygdomme kan blive angrebet.

"Med proteinnedbrydningsstrategier, du kan ikke kun udvide, hvad der kan medicineres, men også forbedre terapier, der allerede er derude, " sagde Bertozzi. "Hver celle har lysosomer. Hver celle har allerede en måde at nedbryde proteiner på. Lige meget hvad dit mål er, hvis du kan få en LYTAC der, du kan forringe det."