Tokom protekle dve decenije, velike genetske studije povezale su desetine hiljada varijanti DNK sa hiljadama ljudskih osobina i bolesti. Ipak, ispravljanje efekata tih varijanti za lečenje bolesti delimično je otežano nedostatkom preciznih molekularnih alata za to.
Istraživači sa Instituta Broad MIT-a i Harvarda, Opšte bolnice u Masačusetsu i Univerziteta Harvard zauzeli su novi pristup tako što su izgradili izuzetno raznoliku kolekciju molekularnih jedinjenja koja se mogu kopati za one koji ciljaju genetske varijante povezane sa bolestima na nove načine. Zahvaljujući inovativnim hemijskim metodama, biblioteka uključuje više od 3 miliona jedinjenja dizajniranih da spoje dva proteina i koriste jedan kao štit za stabilizaciju drugog i poništenje njegovih efekata povezanih sa bolestima.
Iz svoje biblioteke, tim je identifikovao jedinjenje koje cilja na protein izmenjen kod nekih pacijenata sa Kronovom bolešću i pokazao da može da preokrene štetne efekte varijante na ćeliju. Pristup bi se potencijalno mogao koristiti za regrutovanje proteina sa drugim funkcionalnim efektima ili ciljanje faktora rizika od bolesti samo u određenim tipovima ćelija ili tkivima.
„Napredak u hemiji malih molekula dao nam je pravu priliku da smislimo precizne pristupe da ispravimo, modifikujemo ili aktiviramo genetske varijante“, rekao je Ramnik Ksavijer, član glavnog instituta, direktor Imunološkog programa i kodirektor Program za zarazne bolesti i mikrobiom na širem nivou. „U ovoj studiji izgradili smo naše mehaničko razumevanje ove varijante Kronove bolesti da bismo generisali moćan hemijski alat za ispravljanje varijante uz održavanje funkcije gena.“
Ksavijer je takođe profesor na Harvardskoj medicinskoj školi i Opštoj bolnici u Masačusetsu, a vodio je rad zajedno sa ko-starijim autorom Stjuartom Šrajberom, osnivačem jezgra instituta emeritus Broad-a, i prvim autorom Zher Jin Tanom, diplomiranim studentom na Odseku. hemije i hemijske biologije na Harvardu, studirajući kod Schreibera i Ksaviera.
U svojoj potrazi za pronalaženjem jedinjenja koja menjaju proteine povezane sa bolestima na nove načine, istraživači su razvili takozvane hemijske induktore blizine ili CIP, koji uključuju molekularne lepkove i bifunkcionalna jedinjenja. Ova jedinjenja spajaju dva proteina u ćeliji koji se inače možda ne nalaze – „ciljni“ protein (često onaj koji je izmenjen u bolesti) i protein „prezenter“ koji ima neki efekat na metu.
Do sada, većina CIP biblioteka je imala za cilj da izazove razgradnju disfunkcionalnog proteina od strane sopstvene mašinerije za preradu otpada ćelije, čime se smanjuju efekti koji izazivaju bolesti.
U novoj studiji, istraživači su imali za cilj da izgrade raznovrsnu biblioteku potencijalnih CIP-ova koji bi mogli da urade nešto drugo osim da razgrađuju ciljni protein. Za svoj protein prezentera, izabrali su FKBP12, dobro proučen protein koji je u izobilju u ljudskim ćelijama.
Tim je pretpostavio da, kada je angažovan od strane CIP-a, FKBP12 može delovati kao štit za zaštitu ciljnog proteina od enzima koji bi ga inače razbili, efikasno ga stabilizujući. Za neke proteine povezane sa bolestima, ovo bi moglo biti dovoljno da povrate njihovu normalnu funkciju kao način lečenja bolesti.
Tim je imao za cilj da svojom bibliotekom pokrije što je moguće više „hemijskog prostora“ generisanjem velikog broja molekularnih komponenti koje bi mogle prepoznati i vezati ciljni protein. Svako jedinjenje takođe uključuje motiv koji vezuje FKBP12, tako da se može regrutovati na metu.
Pored toga, za svako jedinjenje su prikačili jedinstveni DNK bar kod — takve „biblioteke kodirane DNK“ omogućavaju istraživačima da efikasno udruže milione do milijarde jedinjenja u jednom eksperimentalnom ekranu. Tim je takođe istražio različite elemente povezivanja kako bi povezali komponente svakog jedinjenja zajedno, koristeći krute povezivače različitih uglova i dužina umesto dugih, disketnih lanaca koji su se koristili u prethodnim CIP bibliotekama.
Sa različitim kombinacijama različitih linkera i elemenata za vezivanje cilja, tim je stvorio biblioteku kodiranu CIP DNK (CIP-DEL) od više od 3 miliona jedinstvenih jedinjenja koja regrutuju FKBP12. Da bi demonstrirali potencijal svoje biblioteke za otkrivanje korisnih novih CIP-ova, ciljali su na genetsku varijantu, ATG16L1 T300A, koja je povezana sa rizikom od Kronove bolesti.
Jedna uloga gena ATG16L1 je da olakša autofagiju, ključni proces koji uklanja štetne bakterije i otpad iz ćelija. Decenija rada u laboratoriji Ksavijer pokazala je da varijanta ATG16L1 T300A ovog gena narušava autofagiju jer je protein koji kodira podložniji cepanju enzimom kaspazom-3. Tako je tim mislio da bi zaštita proteina od cepanja pomoću CIP-a mogla pomoći u obnavljanju autofagije i vraćanju ćelije u zdravo stanje.
U eksperimentalnom ekranu, tim je identifikovao jedinjenje koje je stupilo u interakciju sa varijantom proteina ATG16L1. Daljnjim testiranjem na ljudskim i mišjim ćelijama, oni su pokazali da je stabilizovao protein, zaštitio ga od cepanja kaspaze-3 i preokrenuo oštećenje autofagije i drugih ćelijskih procesa bez uticaja na aktivnost kaspaze-3, koja igra druge ključne uloge u ćelijama tokom celog života. ljudsko telo.
„Postoji toliko potencijala u novim pristupima hemije molekularnih lepkova, biblioteka kodiranih DNK i hemo proteomike“, rekao je Ksavijer. „Kada se kombinuju sa ljudskom genetikom i dubokim mehaničkim razumevanjem, oni nam daju inovativne načine da sledimo potencijalne nove terapijske strategije.“
Istraživači imaju za cilj da razviju verziju jedinjenja koja radi na životinjskim modelima kako bi mogli dalje da istražuju terapeutske mogućnosti. Takođe se nadaju da će drugi videti da prilagođavaju biblioteku CIP-DEL da cilja različite varijante bolesti i regrutuju proteine prezentera sa drugim funkcionalnostima, kao što su ometanje interakcija proteina ili intracelularnih signalnih puteva.
A izborom proteina prezentera koji se nalaze samo u određenim tipovima ćelija, biblioteka bi mogla da otkrije CIP-ove koji rade sa još većom preciznošću menjajući ćelije samo u tkivima zahvaćenim bolešću, a ne u celom telu.
„Naš pristup je plug-and-plai sistem“, rekao je Tan. „U zavisnosti od bolesti i molekularnih mehanizama za kojima želite da idete, možete da dizajnirate jedinstvenu biblioteku kako biste pronašli tipove jedinjenja koje tražite. Imamo mnogo više hemijskog prostora da pokrijemo, i nadamo se da ćemo doprineti terapijski alat za donošenje novih načina intervencije na ljudske bolesti.“
