Kort nadat Jake Eaton in 2015 toetrad tot het laboratorium van Stuart Schreiber aan het Broad Institute of MIT en Harvard, de postdoctoraal onderzoeker raakte geïntrigeerd door enkele wilde theorieën waarover zijn collega's debatteerden. De theorieën waren gericht op een vreemd klein molecuul dat bekend staat als ML210, die cellen kan doden door een cellulair proces genaamd ferroptosis in te schakelen. Vasanthi Viswanathan, een postdoctoraal onderzoeker in het Schreiber-lab, had ontdekt dat het induceren van ferroptosis sommige medicijnresistente kankercellen zou kunnen doden. Eaton, Viswanathan, en Schreiber geloofde dat inzicht in hoe ML210 dat proces in gang zet, geheimen zou kunnen ontrafelen voor het ontwikkelen van medicijnen voor de behandeling van kankers die resistent zijn tegen bestaande therapieën, of weerstand in de eerste plaats voorkomen.

Eaton en zijn collega's wisten dat de ML210-verbinding ferroptosis induceert door GPX4 te remmen, een eiwit dat cellen beschermt tegen oxidatieve stress. Ze speculeerden dat het dit deed door een specifiek type chemische link te vormen, een covalente binding genoemd, met het eiwit. Het probleem was, de chemische structuur van ML210 toonde geen duidelijke manieren om covalente bindingen te vormen, wat leidde tot een aantal vergezochte speculaties door de sceptische wetenschappers over hoe het GPX4 kon binden.

"We vroegen ons af, 'Is het GPX4 op een andere manier binden? Werkt het op andere knooppunten in het GPX4-pad, of iets geheel nieuws doen?', "zei Eaton. "Het was een echt chemisch mysterie."

Nutsvoorzieningen, na jaren werk, wetenschappers van het Broad Institute, in samenwerking met wetenschappers van Bayer, hebben dit chemische raadsel opgelost. In een studie in Natuur Chemische Biologie , ze laten zien dat ML210 in de cel transformeert in een nieuw molecuul, die transformeert in een derde molecuul dat vervolgens covalent aan GPX4 bindt. Het mechanisme dat ze onthulden is buitengewoon ongebruikelijk en toont een niet-gewaardeerde manier aan waarop "pro-drugs" zoals ML210 kunnen worden omgezet in moleculen die in staat zijn om doeleiwitten in cellen covalent te binden.

In productie, de wetenschappers beschrijven een nieuwe reeks verbindingen die wetenschappers kunnen gebruiken om meer te weten te komen over hoe cellen ferroptosis ondergaan, een proces dat pas tien jaar geleden werd ontdekt. In aanvulling, de moleculen zijn uitgangspunten voor het ontwikkelen van verbindingen die GPX4 kunnen remmen en medicijnresistente kankercellen kunnen doden, niet alleen in een schaaltje, maar mogelijk ook in diermodellen en zelfs patiënten.

"Ik herinner me dat ik zei, 'Ik vrees dat ik dit ML210-mysterie mijn graf in ga nemen', " zei co-senior auteur Schreiber, die mede-oprichter is van en lid van het kerninstituut van de Broad and the Morris Loeb Professor in de afdeling Chemie en Chemische Biologie aan de Harvard University. "Als het schillen van de vele lagen van een ui, Jake heeft onthuld, stap voor stap, de fascinerende opeenvolging van chemische reacties die cellen aan ML210 verlenen, die zeer weinig voorrang heeft in de organische chemie. Het was een briljante moleculaire speurtocht door Jake."

detective werk

Ferroptose werd bijna tien jaar geleden voor het eerst formeel beschreven door Brent Stockwell, een voormalig student in het laboratorium van Schreiber die nu professor is aan de Columbia University. Bij ferroptose, lipidemoleculen in het celmembraan worden geoxideerd, wat leidt tot een opeenhoping van giftige moleculen, lipideperoxiden genaamd, die uiteindelijk de cel doden. GPX4 beschermt cellen tegen dit soort dood door lipideperoxiden om te zetten in niet-toxische verbindingen.

Viswanathan, een transplantatie van het Stockwell-lab naar het Schreiber-lab, redeneerde dat een molecuul dat GPX4 verstoort, de inspiratie zou kunnen zijn voor een nieuw soort kankermedicijn. Echter, GPX4 is een uitdagend doelwit, omdat het plat is, een onopvallende chemische structuur heeft geen duidelijke plaats waar medicijnen zich aan kunnen binden.

In 2010, een poging om kleine moleculen te ontdekken, het Molecular Libraries Probe Production Centers Network, deels gebaseerd op het Broad Institute, had een paar verbindingen ontdekt die GPX4 binden en ferroptosis induceren - twee hiervan behoren tot een klasse moleculen die bekend staat als chlooraceetamiden, die GPX4 covalent binden. Maar deze verbindingen zijn geen goede kandidaten voor de ontwikkeling van geneesmiddelen of in dierstudies omdat ze zeer reactief zijn en veel andere eiwitten zullen verstoren, leiden tot onbedoelde bijwerkingen. Het is ook onwaarschijnlijk dat ze lang genoeg in het lichaam aanwezig blijven om GPX4 te binden en te blokkeren.

Een derde verbinding van het 2010-scherm was ML210, een "uitbijterverbinding" die chemisch verschilt van de chlooraceetamiden. Eaton en Viswanathan onderzochten gegevens over ML210 van het Cancer Therapeutics Response Portal, een database ontwikkeld door onderzoekers van de Broad en gedeeltelijk gesponsord door het National Cancer Institute. Uit de gegevens, het leek erop dat ML210 op dezelfde manier werkte als de chlooraceetamiden door een covalente binding met GPX4 te vormen. Wat de onderzoekers stomverbaasd was, was dat ML210 geen "covalente kernkop, " een belangrijke chemische structuur waarmee het op deze manier met GPX4 kan worden gekoppeld.

Bindend mysterie

Om te onderzoeken hoe ML210 GPX4 remt, het team had betere methoden nodig om GPX4 in het laboratorium te bestuderen. Met collega's bij Bayer, ze ontwikkelden een systeem om het eiwit in zoogdiercellen tot overexpressie te brengen en produceerden testen om te bestuderen hoe moleculen ermee interageren.

"Een van de geweldige dingen van deze specifieke samenwerking tussen de industrie en de academische wereld is het overwinnen van enkele van de problemen waarmee we in dit onderzoek zijn geconfronteerd, "zei Eaton. "Ik denk niet dat we die uitdagingen alleen zouden hebben overwonnen."

De testen bevestigden dat ML210 was, in feite, remmen van GPX4 door covalente binding, en dat het zoveel nauwkeuriger deed dan de twee chlooraceetamiden.

Deze hint leidde Eaton tot verder chemisch speurwerk, waaruit bleek dat ML210 een aantal ongebruikelijke chemische transformaties in de cel ondergaat om het vermogen te krijgen om GPX4 te binden en te remmen. ML210 wordt eerst omgevormd tot een compound die het team JKE-1674 noemde. De cel zet deze verbinding om in een ander ongewoon molecuul genaamd JKE-1777, die in staat is om GPX4 covalent te binden.

Hoewel JKE-1777 buiten de cel onstabiel is, JKE-1674 en verwante verbindingen die het team heeft gesynthetiseerd, zijn stabiel en selectief voor GPX4, en zijn meer geschikt dan ML210 voor gebruik in diermodellen of misschien zelfs patiënten.

Ongekende machines

In een verwante krant in de Tijdschrift van de American Chemical Society , de onderzoekers beschrijven een andere reeks verbindingen die bekend staan ​​als diacylfuroxans die ook GPX4 covalent remmen. Hoewel die verbindingen niet zo selectief zijn als ML210 of JKE-1674 en het onwaarschijnlijk is dat ze therapeutisch bruikbaar zijn, de begeleidende studie hielp de wetenschappers de nieuwe waarnemingen in de ML210-studie te begrijpen.

"Deze verbindingen zijn moleculaire machines die ongekend zijn in de geschiedenis van de chemische biologie vanwege de ongebruikelijke meerlagige chemische kenmerken die ten grondslag liggen aan hun specificiteit, " zei co-senior auteur Vasanthi Viswanathan, een postdoctoraal medewerker in het Schreiber-lab.

Er is nog meer werk nodig om te bepalen welke cellulaire processen de transformatie van ML210 in zijn actieve vorm begeleiden, en of een van de moleculen kan worden gebruikt in diermodellen of zelfs bij mensen als therapeutische verbindingen.

Als de moleculen of varianten ervan veelbelovend blijken te zijn als nieuwe therapieën, ze kunnen aanleiding geven tot een nieuwe klasse geneesmiddelen die op een dag kunnen helpen bij het bestrijden van resistente tumoren.