Helicasen zijn enzymen die DNA en RNA afwikkelen. Ze zijn van cruciaal belang voor het cellulaire leven, zijn betrokken bij een aantal vormen van kanker en infecties, en zijn helaas buitengewoon moeilijk te bestrijden met medicijnen.

Nu biedt nieuw onderzoek een krachtig platform voor het ontwerpen van covalente remmers die zijn afgestemd op helicases. Het artikel is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society , beschrijft hoe onderzoekers dit innovatieve nieuwe platform gebruikten om moleculen te ontwerpen die zich richten op helicasen die betrokken zijn bij COVID en bepaalde vormen van kanker.

"Structurele en biochemische gegevens met hoge resolutie alleen zijn niet voldoende voor het vinden van geneeskrachtige locaties in conformationeel dynamische enzymen zoals helicasen", zegt Tarun Kapoor van de Rockefeller Universiteit. "Onze aanpak kan deze locaties identificeren en ook chemische uitgangspunten bieden voor de ontwikkeling van medicijnen die zich richten op helicases."

Mechanische problemen

Complexe moleculaire machines die DNA- en RNA-strengen doorkruisen, helicasen moeten het ontrafelingsproces op gang brengen dat genetische informatie voorbereidt op processen zoals replicatie of transcriptie. Maar als helicases kwaadaardig worden, kunnen ze de groei van sommige vormen van kanker bevorderen. Tegelijkertijd zijn helicasen ook cruciaal voor virale replicatie en bacteriële proliferatie. Hieruit volgt dat verschillende geneesmiddelen die zich op deze enzymen richten, bepaalde vormen van kanker kunnen behandelen of infecties kunnen tegenhouden.

"Helicases zijn momenteel zeer populaire doelwitten", zegt hoofdauteur Jared Ramsey, een afgestudeerde student in het Kapoor-lab. "Geneesmiddelen die helicases remmen zijn van groot belang voor de wetenschappelijke gemeenschap en kunnen worden ingezet als nieuwe en effectieve behandelingen."

Helicaseremmers zijn echter moeilijk te verkrijgen. Door duizenden kleine moleculen te testen, zijn farmaceutische bedrijven af ​​en toe methoden tegengekomen om de ene of de andere helicase tot stilstand te brengen, maar deze voorvallen zijn zeldzaam gebleken. "Hetzelfde gold in ons laboratorium", zegt Ramsey. "We waren niet in staat helicaseremmers te identificeren met behulp van typische benaderingen zoals high-throughput screening."

Ramsey, Kapoor en collega's vroegen zich af of elektrofiele kleine moleculen gebruikt konden worden om de zwakke punten in een helicase op te sporen, waarbij ze stilletjes het enzym aanspoorden naar potentiële bindingsplaatsen die gevoelig zijn voor medicijnen.

Centraal in dit idee staat het concept van covalentie, waarbij kandidaat-remmers onomkeerbaar het helicase-doelwit binden, waardoor mogelijk complicaties als gevolg van de dynamische en vloeiende aard van deze enzymen worden omzeild. Daartoe selecteerde het team twee onschadelijke moleculen en stuurde de zogenaamde verkenningsfragmenten naar een helicase van SARS-CoV-2.

Zodra ze waarschijnlijke bindingsplaatsen op de helicase hadden gevonden, promoveerden ze de verkenners tot soldaten. "We hoefden alleen maar een minimaal uitgewerkt elektrofiel molecuul te nemen, te identificeren waar het zich bindt met massaspectrometrie, en vervolgens medicinale chemie te gebruiken om het te modificeren en een paar versies ervan te screenen om een ​​krachtige, specifieke remmer te verkrijgen", zegt Ramsey.

Het team demonstreerde ook dat verkenningsfragmenten konden worden afgestemd om twee specifieke helicasen, BLM en WRN, uit te schakelen, die respectievelijk betrokken zijn bij het Bloom-syndroom en het Werner-syndroom, evenals bij een aantal vormen van kanker. Hoewel niet wordt verwacht dat de gepubliceerde bevindingen zich onmiddellijk zullen vertalen in medicijnen die COVID of kanker behandelen, dienen ze wel als een waardevol startpunt voor medicijnontwikkelaars om op maat gemaakte helicasedoelen te maken.

"Onze bevindingen laten zien hoe het platform dat we hebben ontwikkeld het werk in andere laboratoria zou kunnen versnellen", zegt Ramsey. "We hanteren een wetenschappelijke basisbenadering, en zo komen er veel nuttige bevindingen naar voren. Dit vergt een uitdagend probleem en geeft ons een solide startpunt."

Meer informatie: Jared R. Ramsey et al., Met behulp van een op functies gebaseerde "Scout Fragment"-benadering om allosterische covalente remmers van conformationeel dynamische helicase-mechanische enzymen te ontwikkelen, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c10581

Aangeboden door Rockefeller Universiteit