Poco después de que Jake Eaton se uniera al laboratorio de Stuart Schreiber en el Broad Institute of MIT y Harvard en 2015, el investigador postdoctoral se sintió intrigado por algunas teorías disparatadas que estaban debatiendo sus colegas. Las teorías se centraron en una extraña molécula pequeña conocida como ML210, que puede matar células activando un proceso celular llamado ferroptosis. Vasanthi Viswanathan, becario postdoctoral en el laboratorio de Schreiber, había descubierto que inducir la ferroptosis podía matar algunas células cancerosas resistentes a los medicamentos. Eaton, Viswanathan, y Schreiber creía que comprender cómo ML210 desencadena ese proceso podría revelar secretos sobre cómo desarrollar medicamentos para tratar cánceres resistentes a las terapias existentes, o prevenir la resistencia en primer lugar.

Eaton y sus colegas sabían que el compuesto ML210 induce ferroptosis al inhibir GPX4, una proteína que protege a las células del estrés oxidativo. Especularon que lo hizo formando un tipo específico de enlace químico, llamado enlace covalente, con la proteína. El problema era, la estructura química de ML210 no mostró formas obvias de formar enlaces covalentes, lo que llevó a algunas especulaciones inverosímiles por parte de los científicos escépticos sobre cómo pudo unir GPX4.

"Nos preguntabamos, '¿Está vinculando GPX4 de una manera diferente? ¿Actúa sobre otros nodos de la vía GPX4? o haciendo algo completamente nuevo? ', ", dijo Eaton." Fue un verdadero misterio químico ".

Ahora, después de años de trabajo, científicos del Instituto Broad, en colaboración con científicos de Bayer, han resuelto este enigma químico. En un estudio en Biología química de la naturaleza , muestran que ML210 se transforma dentro de la célula en una nueva molécula, que se transforma en una tercera molécula que luego se une covalentemente a GPX4. El mecanismo que revelaron es extremadamente inusual y demuestra una forma poco apreciada de que los "profármacos" como ML210 se pueden convertir en moléculas capaces de unirse covalentemente a proteínas diana dentro de las células.

En el trabajo, los científicos describen un nuevo conjunto de compuestos que los científicos pueden usar para aprender más sobre cómo las células experimentan ferroptosis, un proceso descubierto hace solo una década. Además, las moléculas son puntos de partida para desarrollar compuestos que pueden inhibir la GPX4 y matar las células cancerosas resistentes a los medicamentos no solo en un plato, pero potencialmente también en modelos animales e incluso pacientes.

"Recuerdo haber dicho, 'Me temo que me voy a llevar este misterio ML210 a mi tumba', "dijo el coautor principal Schreiber, quien es cofundador y miembro del instituto principal del Broad y el profesor Morris Loeb en el Departamento de Química y Biología Química de la Universidad de Harvard. "Como pelar las muchas capas de una cebolla, Jake ha revelado, paso a paso, la fascinante secuencia de reacciones químicas que las células confieren a ML210, que tiene muy poca precedencia en química orgánica. Fue un trabajo brillante de investigación molecular por parte de Jake ".

trabajo de detective

La ferroptosis fue descrita formalmente por primera vez hace casi una década por Brent Stockwell, un ex alumno del laboratorio de Schreiber que ahora es profesor en la Universidad de Columbia. En ferroptosis, las moléculas de lípidos en la membrana celular se oxidan, lo que lleva a una acumulación de moléculas tóxicas llamadas peróxidos de lípidos que eventualmente matan a la célula. GPX4 protege a las células de este tipo de muerte al convertir los peróxidos de lípidos en compuestos no tóxicos.

Viswanathan, un trasplante del laboratorio de Stockwell al laboratorio de Schreiber, razonó que una molécula que interrumpe la GPX4 podría ser la inspiración para un nuevo tipo de medicamento contra el cáncer. Sin embargo, GPX4 es un objetivo desafiante, porque es plano, La estructura química sin rasgos distintivos no tiene un lugar obvio al que puedan unirse las drogas.

En 2010, un esfuerzo de descubrimiento de moléculas pequeñas llamado Red de Centros de Producción de Sondas de Bibliotecas Moleculares, basado en parte en el Broad Institute, había descubierto algunos compuestos que se unen a GPX4 e inducen ferroptosis; dos de ellos pertenecen a una clase de moléculas conocidas como cloroacetamidas, que se unen covalentemente a GPX4. Pero estos compuestos no son buenos candidatos para el desarrollo de fármacos o en estudios con animales porque son altamente reactivos y alterarán muchas otras proteínas. dando lugar a efectos secundarios no deseados. También es poco probable que persistan en el cuerpo el tiempo suficiente para unirse y bloquear GPX4.

Un tercer compuesto de la pantalla de 2010 fue ML210, un "compuesto atípico" que es químicamente distinto de las cloroacetamidas. Eaton y Viswanathan examinaron datos sobre ML210 del Portal de respuesta terapéutica contra el cáncer, una base de datos desarrollada por investigadores de Broad y patrocinada en parte por el Instituto Nacional del Cáncer. De los datos, Parecía que ML210 actuaba de manera similar a las cloroacetamidas al formar un enlace covalente con GPX4. Lo que dejó perplejos a los investigadores fue que ML210 no contiene una "ojiva covalente, "una estructura química clave que le permitiría emparejarse con GPX4 de esta manera.

Misterio vinculante

Para probar cómo ML210 inhibe GPX4, el equipo necesitaba mejores métodos para estudiar GPX4 en el laboratorio. Con colegas de Bayer, desarrollaron un sistema para sobreexpresar la proteína en células de mamíferos y produjeron ensayos para estudiar cómo las moléculas interactúan con ella.

"Una de las mejores cosas de esta colaboración entre la industria y el sector académico en particular ha sido superar algunos de los problemas a los que nos hemos enfrentado en esta investigación, ", dijo Eaton." No creo que hubiéramos superado esos desafíos por nuestra cuenta ".

Los ensayos confirmaron que ML210 era, De hecho, inhibir GPX4 a través de la unión covalente, y que hizo mucho más precisamente que las dos cloroacetamidas.

Esta pista llevó a Eaton a seguir trabajando como detective químico, que reveló que ML210 sufre un par de transformaciones químicas inusuales en la célula para ganar la capacidad de unirse e inhibir GPX4. ML210 se transforma primero en un compuesto que el equipo denominó JKE-1674. La célula convierte este compuesto en otra molécula inusual llamada JKE-1777, que es capaz de unirse covalentemente a GPX4.

Aunque JKE-1777 es inestable fuera de la celda, JKE-1674 y los compuestos relacionados que sintetizó el equipo son estables y selectivos para GPX4, y son más adecuados que ML210 para su uso en modelos animales o incluso en pacientes.

Máquinas sin precedentes

En un artículo relacionado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , los investigadores describen otro conjunto de compuestos conocidos como diacilfuroxanos que también inhiben la GPX4 de forma covalente. Si bien esos compuestos no son tan selectivos como ML210 o JKE-1674 y es poco probable que sean útiles terapéuticamente, el estudio complementario ayudó a los científicos a dar sentido a las nuevas observaciones realizadas en el estudio ML210.

“Estos compuestos son máquinas moleculares sin precedentes en la historia de la biología química por las características químicas inusuales de múltiples capas que subyacen a su especificidad, "dijo el coautor principal Vasanthi Viswanathan, un asociado postdoctoral en el laboratorio de Schreiber.

Queda más trabajo para determinar qué procesos celulares guían la transformación de ML210 en su forma activa, y si alguna de las moléculas puede usarse en modelos animales o incluso en humanos como compuestos terapéuticos.

Si las moléculas o variantes de ellas resultan prometedoras como nuevas terapias, podrían dar lugar a una nueva clase de medicamentos que algún día podrían ayudar a combatir los tumores resistentes a los medicamentos.