Молекула заставляет белок менять форму и повышает селективность против p38 delta

Квадратный колышек не подходит к круглому отверстию. Но что, если штифт может изменить форму отверстия?

Недавно разработанная лекарственная молекула действует примерно так при связывании с белком-мишенью, говорится в исследовании Университета Буффало, опубликованном во вторник (15 сентября) в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Этот ингибитор, предназначенный для блокирования активности киназы, вначале сталкивается с гибкой петлёй в структуре белка, участвующего в раке и известного как p38 delta. Такое столкновение обычно мешает связыванию, но в данном случае петля меняет конфигурацию и обворачивается вокруг молекулы, образуя необычно плотную посадку.

Молекула показала 12 000-кратное улучшение селективности в отношении p38 delta и была в 110 раз эффективнее по сравнению с ранее доступными соединениями.

«Обычно вы проектируете молекулу под структуру мишени. Здесь мы создали молекулу, которая заставляет мишень адаптироваться к ней», — объясняет соответствующий автор Дэвид Хеппнер, доктор философии, доцент кафедры химии в Колледже искусств и наук Университета Буффало.

По словам авторов, полученные результаты могут стать отправной точкой для разработки новых препаратов и стимулировать более широкие стратегии дизайна лекарств, использующие аналогичные структурные приёмы.

«Вместо того чтобы рассматривать структуру целевого белка как данность, мы можем подумать о том, как заставить эту структуру работать на нас», — добавляет Хеппнер.

Работа выполнена в сотрудничестве со Стефаном Лауфером, доктором наук, профессором фармацевтической и медицинской химии Тюбингенского университета. Исследование поддержали Национальные институты здравоохранения через Национальные институты общих медицинских наук и Немецкий исследовательский фонд.

Вредное столкновение оказывается полезным

Митоген-активируемые протеинкиназы p38 представляют собой семейство белков, участвующих в регуляции клеточной активности, и с ними традиционно трудно работать с точки зрения селективного связывания молекул.

Первый автор, Нико Дж. Зайдлер, синтезировал несколько кандидатов в лаборатории Лауфера в Тюбингене во время аспирантуры. Одна из молекул выделялась исключительной селективностью к p38 delta, но причины этого оставались неясными.

Позже, уже в качестве научного сотрудника по программе Фулбрайта в лаборатории Хеппнера в Университете Буффало, Зайдлер провёл структурные исследования молекулы. Рентгеновская кристаллография показала, что молекула действительно заставляет p38 delta менять форму вокруг себя.

«Мы обнаружили, что молекула действует через то, что мы называем „выпуклым изломом“, — говорит Зайдлер. — Часть молекулы сталкивается с гибкой петлёй белка, вызывая её перекручивание. Этот излом приближает петлю к другой части молекулы и позволяет белку обернуться или самоинкапсулироваться вокруг неё».

Первоначальное столкновение между молекулой и белком, по-видимому, запускает волновой эффект, который даёт белку возможность адаптироваться к молекуле.

«В девяти случаях из десяти такие удары не приводят к „застреванию“. Обычно это лишь ухудшает связывание», — отмечает Зайдлер. «Здесь это пример того, как действие, кажущееся вредным, открывает совершенно новый путь».

Ключ к таким структурным изменениям — особая аминокислота, расположенная далеко от непосредственного места связывания. Аминокислота, известная как гистидин 30, стабилизирует излом петли.

«Редко участок белка, так удалённый от места связывания, влияет на само связывание», — говорит Хеппнер. «Обычно мы и не подумали бы использовать такую удалённую аминокислоту, но здесь обнаружили способ косвенно воспользоваться её свойствами».

Необычный тип связывания может стать платформой для разработки лекарств

Такой нетипичный механизм связывания помогает объяснить повышенную эффективность и селективность молекулы. Селективность важна для того, чтобы препарат поражал целевой белок, а не близкородственные белки, и тем самым снижать риск токсичных побочных эффектов.

«Мы всегда стремимся локализовать действие препарата в том участке организма, где возникает заболевание, и минимизировать его влияние на остальную часть тела», — поясняет Хеппнер.

Наличие высокоселективного ингибитора может помочь исследователям лучше понять функции p38 delta. Этот белок вовлечён в онкогенные и другие биологические процессы, но раньше учёные не имели инструментов, позволяющих избирательно блокировать именно его без воздействия на сходные киназы.

«Теперь, когда у нас есть селективный инструмент для этой мишени, мы сможем глубже изучить её биологию и определить, где её целесообразно использовать в терапевтических целях», — говорит Лауфер.

Авторы также планируют проверить, применима ли эта стратегия к другим мишеням: можно ли спроектировать молекулы, вызывающие подобные структурные перестройки и косвенно использующие удалённые отличительные особенности белков.

«Могут существовать отдалённые характеристики белков, которые раньше игнорировались как непригодные для лекарственного дизайна», — замечает Хеппнер. «Теперь мы можем задать вопрос, можно ли использовать эти особенности для создания новых или улучшения существующих препаратов».