Nature: Раскрыты секретные уязвимости "звезды смерти" рака

Исследователи из Центра геномного регулирования в Барселоне, Испания, и Института Велком Сэнгер в Кембридже, Великобритания, провели комплексную идентификацию локаций аллостерического контроля, содержащихся в белке KRAS. Они являются наиболее востребованными мишенями для разработки лекарств, представляя собой секретные уязвимости, которые можно использовать для контроля над действием одной из самых важных причин рака.

Исследование представляет собой первую полную карту контроля для любого белка и опубликовано сегодня (18 декабря) в журнале Nature.

KRAS — один из наиболее часто мутирующих генов в раковых опухолях многих типов. Он встречается в каждом десятом раке человека, причем чаще всего в таких смертельно опасных типах, как рак поджелудочной железы или рак легкого. Его называют «звездой смерти» из-за сферической формы и отсутствия подходящего участка для воздействия лекарств. По этой причине KRAS исторически считался „не поддающимся лечению“ с момента его первого открытия в 1982 году.

Единственной эффективной стратегией борьбы с KRAS является воздействие на систему аллостерической связи. Это молекулярные сигналы, которые работают по принципу дистанционного управления замком и ключом. Чтобы управлять белком, нужен ключ (химическое соединение или лекарство), который открывает замок (активный сайт). На белки также может влиять вторичный замок (аллостерический сайт), который находится в другом месте на его поверхности. Когда молекула связывается с аллостерическим сайтом, это приводит к изменению формы белка, что может изменить его активность или способность связываться с другими молекулами, например, путем изменения внутренней структуры его основного замка.

Аллостерические участки часто предпочитают использовать при разработке лекарств, поскольку они обладают большей специфичностью, снижая вероятность побочных эффектов. Кроме того, они могут более тонко изменять активность белка, что открывает возможности для тонкой настройки его функций. Препараты, воздействующие на аллостерические сайты, как правило, более безопасны и эффективны по сравнению с препаратами, воздействующими на активные сайты.

Однако аллостерические сайты очень неуловимы. Несмотря на четыре десятилетия исследований, десятки тысяч научных публикаций и более трехсот опубликованных структур KRAS, только два препарата — соторасиб и адаграсиб — были одобрены для клинического применения. Препараты действуют путем присоединения к карману, прилегающему к активному сайту, вызывая аллостерическое конформационное изменение белка, которое препятствует его активации.

Потребовались десятилетия, чтобы создать эффективное лекарство против KRAS, в том числе потому, что у нас не было инструментов для масштабной идентификации аллостерических участков, а значит, мы искали терапевтические мишени в темноте.

В этом исследовании мы демонстрируем новый подход, который позволяет систематически картировать аллостерические сайты для целых белков. Для целей поиска лекарств это все равно что включить свет и обнажить множество способов управления белком, — объясняет доктор Андре Фор, штатный научный сотрудник Центра регулирования генома и соавтор исследования.

Четыре перспективные мишени для более безопасных и эффективных лекарств

Авторы исследования составили карту аллостерических сайтов с помощью техники, называемой глубоким мутационным сканированием. Она включала в себя создание более 26 000 вариаций белка KRAS, изменяя лишь один или два строительных блока (аминокислоты) за раз. Команда проверила, как эти различные вариации KRAS связываются с шестью другими белками, в том числе с теми, которые критичны для KRAS, чтобы вызывать рак. Исследователи использовали программное обеспечение искусственного интеллекта для анализа данных, выявления аллостерии и определения местоположения известных и новых терапевтических мишеней.

Уникальным преимуществом нашего метода является его масштабируемость. Только в этой работе мы провели более 22 000 биофизических измерений — столько же, сколько было сделано для всех белков до того, как мы начали использовать замечательные достижения в области секвенирования ДНК и методологии синтеза.

Это огромное ускорение, которое демонстрирует мощь и потенциал подхода, — объясняет Ченчунь Венг, первый автор исследования и постдокторский научный сотрудник Центра регулирования генома.

Методика показала, что KRAS имеет гораздо больше сильных аллостерических сайтов, чем ожидалось. Мутации в этих сайтах подавляли связывание белка со всеми тремя его основными партнерами, что говорит о возможности широкого ингибирования активности KRAS. Подмножество этих сайтов особенно интересно, поскольку они расположены в четырех различных карманах, легко доступных на поверхности белка, и представляют собой перспективные мишени для будущих лекарств.

Авторы исследования выделяют один из них — «карман 3» — как особенно интересный. Этот карман расположен далеко от активного сайта KRAS и поэтому ранее не привлекал особого внимания фармацевтических компаний.

Исследователи также обнаружили, что небольшие изменения в KRAS могут кардинально изменить его поведение с партнерами, заставляя белок предпочитать одного из них другому. Это имеет важное значение, поскольку может привести к созданию новых стратегий, которые будут контролировать аберрантную активность KRAS, не препятствуя его нормальной функции в нераковых тканях. Сбережение нормальной версии KRAS означает меньше побочных эффектов и более безопасное и эффективное лечение. Исследователи также могут использовать эти знания, чтобы глубже изучить биологию KRAS и объяснить поведение белка в различных сценариях, что может стать ключом к определению его роли в различных типах рака.

Новый план лечения «не поддающегося лечению» рака

Исследование представляет собой первую в истории полную карту аллостерических сайтов для любого полноценного белка любого вида. Исследование показывает, что с помощью правильных инструментов и методов, подобных тем, которые использовались для составления карты KRAS, можно обнаружить новые уязвимости для многих важных с медицинской точки зрения белков, которые исторически считались «не поддающимися лечению».

Большая проблема в медицине заключается не в том, что мы не знаем, какие белки вызывают заболевания, а в том, что мы не знаем, как их контролировать. Наше исследование представляет собой новую стратегию, позволяющую нацелиться на эти белки и ускорить разработку лекарств для контроля их активности.

Природа нацеливания на аллостерические участки означает, что создаваемые лекарства, скорее всего, будут более безопасными и эффективными, чем те, которые мы имеем сейчас, — заключает профессор ICREA доктор Бен Ленер, старший автор исследования из Центра регулирования генома и Института Wellcome Sanger.

18.12.2023