Onderzoekers gebruiken gesynthetiseerde hulpmiddelen voor kleine moleculen, bekend als chemische sondes, met medicijnachtige eigenschappen om specifieke soorten eiwitten te identificeren om potentiële nieuwe medicijnleads te vinden. Echter, momenteel beschikbare technologieën zijn niet in staat om toegang te krijgen tot therapeutische doelen die metalen, metabolieten, of post-translationele modificaties.

Nutsvoorzieningen, een studie van het laboratorium van Megan Matthews en collega's suggereert nieuwe manieren om deze klasse van ziektedoelen te manipuleren die tot nu toe "onbehandelbaar" zijn gebleven. De bevindingen zijn gepubliceerd in ACS Centrale Wetenschap en staan ​​op de omslag van september van de publicatie.

Wetenschappers in het Matthews-lab zijn chemisch biologen die multidisciplinair en collaboratief zijn. Ze hebben expertise in synthetische chemie, enzymologie, cellenbiologie, en op massaspectrometrie gebaseerde chemische proteomics, die vaak wordt gebruikt om interacties tussen kleine moleculen en eiwitten en hun effecten op de eiwitfunctie te karakteriseren. Met behulp van deze aanpak, de onderzoekers kunnen globaal eiwitten profileren en ontdekken die reageren met specifieke probes, begrijpen wat deze eiwitten doen, en remmen de activiteiten van het eiwit door nieuwe mechanismen.

In dit onderzoek, de onderzoekers richtten zich op het in kaart brengen van de chemische reactiviteit van een organohydrazine, –NHNH ₂ , sonde die een van de eerste door de FDA goedgekeurde antidepressiva nabootst, bekend als fenelzine, met behulp van een methode die op activiteit gebaseerde eiwitprofilering (ABPP) wordt genoemd. Klassieke ABPP-probes richten zich op een enkel type aminozuur dat nucleofiel is, of elektronenrijk, overwegende dat hydrazine-probes zijn ontworpen om enzym-cofactoren en post-translationele modificaties die elektrofiel zijn, te vangen, of elektronenarm.

"Hydrazines vangen allerlei echt opwindende doelen door echt interessante chemie, dus we gebruiken het als een startpunt voor de ontdekking van enzym-remmer, " zegt Matthijs, de hoofdonderzoeker van dit onderzoek. "We wilden vragen wat alle dingen zijn die deze farmacofoor proteoom-breed kan doen, en dankzij massaspectrometrie kunnen we dit doen."

Na het inzetten van hun sonde in twee menselijke cellijnen, ze toonden aan dat de sondes reageren met doelen uit meerdere enzymklassen die een breed scala aan cofactoren gebruiken; cofactoren zijn verschillende soorten chemische machines die een eiwit helpen zijn functie te vervullen. Vervolgens, door de locaties van probe-labeling op de eiwitten in kaart te brengen, de wetenschappers toonden twee manieren van reactiviteit aan, directe polaire aanval en oxidatieve activering/fragmentatie genoemd, die afhankelijk zijn van de veelzijdige eigenschappen van hydrazine en zijn vermogen om verschillende soorten elektronentekorten op te vangen.

Een van de grootste technische uitdagingen, zegt postdoc en eerste auteur Zongtao "Tom" Lin, identificeerde waar en hoe de sonde reageerde met de eiwitten, omdat het niet gemakkelijk voorspelbaar was. "Onze oplossing was om isotopische hydrazine-sondes te gebruiken, vervanging van stikstofatomen in natuurlijke overvloed ¹⁴ N, met zijn 'zware' tegenhanger ¹⁵ N. Hierdoor konden we zien of de hydrazinegroep verloren was gegaan na reactie met het eiwit of niet, " Zegt Lin. "Daarna, we vertrouwden op een computationele workflow om de peptide-fragmentatiepatronen te matchen en de plaatsen van probe-labeling te verfijnen. Deze combinatie van isotopische hydrazine-sondes en computationele zoekopdrachten stelde ons in staat ons doel te bereiken."

Het team vond dat hoewel hydrazinen in grote lijnen reactief zijn, ze blijven op de actieve plaats gericht en worden geblokkeerd door andere moleculen die de actieve plaats van een eiwit bezetten. "Omdat ze zich richten op functionele chemie, ze kunnen de functionele toestand van veel verschillende enzymklassen aflezen. Dat is behoorlijk verbazingwekkend omdat het de Heilige Graal met één sonde benadert om elke eiwitfunctionaliteit te profileren die elektron-deficiënt is. " zegt Matthews. "Dus nu, in principe, kunnen we selectieve moleculen ontwikkelen voor doelwitten die worden gevonden in deze onbekende helft van het proteoom dat nu 'druggable' is, " en dat is echt krachtig en uitgebreid."

Volgende, de wetenschappers zullen deze hydrazinen uitwerken en afstemmen om te onderzoeken of gediversifieerde nucleofielen hetzelfde vermogen hebben als elektrofielen om als krachtig te dienen, selectieve remmers van cofactor-afhankelijke enzymen.

Matthews voegt eraan toe dat, omdat deze methoden "ziekte-agnostisch zijn, " er zijn unieke mogelijkheden om activiteiten te bestuderen die ontregeld zijn in patiëntmonsters en ziektemodellen. "Al met al, we verwachten dat hydrazine-sondes alle mogelijkheden van klassieke ABPP-sondes behouden, inclusief de ontdekking van remmers en nieuwe werkingsmechanismen, Matthews zegt. In sommige gevallen, we hopen nieuwe biologie te ontdekken, te."