Выполняя функцию клеточных фабрик по переработке отходов, протеасомы поддерживают жизнь клеток, в том числе и клеток раковых опухолей. Если деятельность протеасом подавляется, клетка отравляется собственными отходами. Обратимое ингибирование протеасом, недавно разработанное учеными Мюнхенского технологического университета (TechnischeUniversitaetMuenchen – TUM), дает ключ к разработке более избирательных противораковых препаратов и контролю над реакцией отторжения клеток и тканей при трансплантации. Исследование опубликовано в международном он-лайн издании журналаAngewandteChemie.
Раковую клетку отличает от здоровой ее опасная способность к нерегулируемому росту и гораздо более быстрому размножению. Большие белковые комплексы – протеасомы – играют в этом процессе ведущую роль: разрушая уже использованные белки, они расчищает путь для осуществления следующего цикла. Несколько лет назад у врачей родилась новая надежда, связанная с открытием возможности использовать ингибирование протеасом как метод, способный затормозить рост клетки. Первый основанный на этом подходе препарат, Бортезомиб (Bortezomib), приносит ежегодный доход в размере более миллиарда долларов США. Однако он подавляет и другие важные белки, что приводит к тяжелым побочным эффектам. Поэтому существует острая необходимость в альтернативных препаратах.
Вариант протеасомы – иммунопротеасома - является ведущим актером в другом жизненно важном процессе – иммунной реакции. Выработка человеческого инсулина генно-модифицированными бактериями является благом для больных диабетом. Но расчет необходимой дозы и ежедневные инъекции причиняют им значительные неудобства. Решением могла бы стать трансплантация интактных инсулин-продуцирующих островковых клеток свиньи, но этому препятствует иммунная реакция организма-реципиента. Если бы врачи смогли временно «обуздать» иммунопротеасомы, им, возможно, удалось бы взять реакцию отторжения под контроль.
Схема строения протеасомы (вид сбоку). Активный сайт находится внутри цилиндра (показан синим). Красным показаны 11S регуляторные частицы, которые регулируют поступление белков в «деградационную камеру».(wikibooks.org/wiki)
В обоих случаях для минимизации вреда от побочных эффектов важно как можно более избирательное адресное вмешательство. В настоящее время уже проходят клинические испытания два других ингибитора протеасом – Карфилзомиб (Carfilzomib) и Салиноспорамид А (Salinosporamide A), полученные из яда, вырабатываемого морской бактерией. В ходе более ранних исследований группе профессора Михаэля Гролля (Michael Groll), заведующего кафедрой биохимии химического факультета TUM, удалось объяснить механизм действия обоих веществ. И в том, и в другом случае он основан на одном принципе, значительно более специфичен, чем у Бортезомиба, и позволяет связывать препараты с протеасомами в нужном месте, приводя, таким образом, к гораздо меньшим побочным эффектам. Тем не менее, эти препараты также вызывают необратимое разрушение протеасом. В то время как здоровые клетки выживают за счет образования новых белковых комплексов, быстро растущие раковые отравляются собственными отходами и в конечном итоге погибают в результате апоптоза, или запрограммированной клеточной смерти.
Особенностью действия этих блокаторов протеасом является двухступенчатая реакция связывания. Крошечные молекулы подходят к определенному сайту на протеасоме, как ключ к замку. Однако обратимое взаимодействие с сайтом связывания сопровождается последующим необратимым образованием кольца, которое не дает ключу выйти из замка. Используя другую химическую группу, профессор Гролль и доктор Мелисса Грэверт (Melissa Gräwert) смогли достичь обратимого образования кольца. Новая концевая группа содержит альдегидную и кето-группы, находящиеся в непосредственной близости друг от друга. Они также реагируют с сайтом связывания на протеасоме путем формирования кольца. Однако реакции этих двух групп обратимы. Теперь ключ можно вынуть из замка, и протеасома возобновит свою работу.
В рамках своей исследования, поддержанного Cluster of Excellence Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM), ученым удалось подтвердить предполагаемый механизм, используя рентгеноструктурный анализ кристаллов ингибированной протеасомы. Стало ясно и то, каким образом он может быть использован для разработки лекарственного препарата с меньшими побочными эффектами. В дополнении к концевой группе механизм связывания содержит короткую цепочку аминокислот, которая может быть создана таким образом, что будет полностью подходить к связывающим карманам протеасомы. Изменяя аминокислотный состав этой цепочки, можно добиться оптимального связывания, позволяющего специфически взаимодействовать только с иммунопротеасомами.
Крошечный альфа-кето-альдегид-пептид подходит к определенному сайту протеасомы, как ключ к замку, и блокирует ее. Однако, в отличие от реакций с другими ингибиторами, реакция этих двух групп обратима. Ключ можно вынуть из замка, и протеасома возобновит свою работу. (Фото: Prof. Dr. Michael Groll/TUM)
«Показанный нами обратимый двухступенчатый механизм связывания уникален», – говорит профессор Гролль. «Он объясняет высокую избирательность и позволяет надеться на меньшие побочные эффекты. Обратимая реакция открывает двери к гораздо более широкому применению этого подхода. Теперь мы можем разрабатывать подобные механизмы связывания и для иммуносупрессирующих препаратов». Решением именно этой задачи в тесном сотрудничестве с врачами ученые заняты сейчас в рамках новой межрегиональной инициативы «Биология ксеногенной клетки и трансплантация органов – от разработки к применению» («Biology of xenogenic cell and organ transplantation – from bench to bedside»).