Una nueva investigación del laboratorio de Megan Matthews describe un método versátil para mapear cientos de diversos sitios de enzimas y funciones de proteínas. Estos nuevos hallazgos permiten perfilar y especificar diversas clases de proteínas y vías biológicas, terapias dirigidas que se desarrollarán para una amplia gama de enfermedades. Crédito:Matthews Lab
Los investigadores utilizan herramientas de moléculas pequeñas sintetizadas, conocidas como sondas químicas, con propiedades parecidas a las de las drogas para identificar tipos específicos de proteínas con el fin de encontrar posibles nuevas pistas de fármacos. Sin embargo, las tecnologías actualmente disponibles no pueden acceder a dianas terapéuticas que tienen metales, metabolitos, o modificaciones postraduccionales.
Ahora, un estudio del laboratorio de Megan Matthews y sus colegas sugiere nuevas formas de manipular esta clase de objetivos de la enfermedad que hasta ahora han permanecido "inalterables". Los hallazgos fueron publicados en Ciencia Central ACS y aparecen en la portada de septiembre de la publicación.
Los científicos del laboratorio de Matthews son biólogos químicos multidisciplinarios y colaborativos. Tienen experiencia en química sintética, enzimología, Biología Celular, y proteómica química basada en espectrometría de masas, que se utiliza comúnmente para caracterizar las interacciones proteína-molécula pequeña y sus efectos sobre la función de la proteína. Usando este enfoque, los investigadores pueden perfilar y descubrir a nivel mundial proteínas que reaccionan con sondas específicas, entender lo que hacen estas proteínas, e inhiben las actividades de la proteína mediante mecanismos novedosos.
En este estudio, los investigadores se centraron en mapear la reactividad química de una organohidrazina, –NHNH 2 , sonda que imita uno de los primeros antidepresivos aprobados por la FDA, conocido como fenelzina, utilizando un método llamado perfil de proteínas basado en la actividad (ABPP). Las sondas clásicas de ABPP se dirigen a un solo tipo de aminoácido que es nucleofílico, o rico en electrones, Considerando que las sondas de hidracina están diseñadas para capturar cofactores enzimáticos y modificaciones postraduccionales que son electrofílicas, o pobre en electrones.
"Las hidracinas capturan todo tipo de objetivos realmente interesantes mediante una química realmente interesante, así que lo usamos como punto de partida para el descubrimiento de inhibidores de enzimas, "dice Matthews, el investigador principal de este estudio. "Queríamos preguntar cuáles son todas las cosas que este farmacóforo puede hacer en todo el proteoma, y gracias a la espectrometría de masas podemos hacer esto ".
Después de desplegar su sonda en dos líneas celulares humanas, demostraron que las sondas reaccionan con dianas de múltiples clases de enzimas que utilizan una diversa gama de cofactores; Los cofactores son diferentes tipos de maquinaria química que ayudan a una proteína a realizar su función. Luego, mapeando las ubicaciones del etiquetado de la sonda en las proteínas, los científicos demostraron dos modos de reactividad, llamado ataque polar directo y activación / fragmentación oxidativa, que se basan en las propiedades versátiles de la hidracina y su capacidad para capturar diferentes tipos de deficiencia de electrones.
Uno de los mayores desafíos técnicos, dice el postdoctorado y primer autor Zongtao "Tom" Lin, estaba identificando dónde y cómo reaccionaba la sonda con las proteínas porque no es algo que sea fácilmente predecible. "Nuestra solución fue utilizar sondas de hidracina isotópica, Reemplazo de átomos de nitrógeno de abundancia natural. 14 NORTE, con su contraparte 'pesada' 15 N. Esto nos permitió ver si el grupo hidrazina se perdió después de reaccionar con la proteína o no, "Lin dice". Después de eso, confiamos en un flujo de trabajo computacional para igualar los patrones de fragmentación de péptidos y reducir los sitios de etiquetado de la sonda. Esta combinación de sondas de hidracina isotópica y búsquedas computacionales nos permitió lograr nuestro objetivo ".
El equipo descubrió que aunque las hidracinas son ampliamente reactivas, permanecen dirigidas al sitio activo y son bloqueadas por otras moléculas que ocupan el sitio activo de una proteína. "Debido a que se dirigen a la química funcional, son capaces de leer el estado funcional de muchas clases de enzimas diferentes. Eso es bastante sorprendente porque se acerca al Santo Grial de una sola sonda para poder perfilar cualquier funcionalidad de proteína que sea deficiente en electrones. "Dice Matthews." Así que ahora, en principio, podemos desarrollar moléculas selectivas para los objetivos que se encuentran en esta mitad inexplorada del proteoma que ahora es 'drogadicto, "y eso es realmente poderoso y expansivo".
Próximo, los científicos elaborarán y ajustarán estas hidracinas para explorar si los nucleófilos diversificados tienen la misma capacidad que los electrófilos para servir como potentes, inhibidores selectivos de enzimas dependientes de cofactores.
Matthews agrega que debido a que estos métodos son "independientes de la enfermedad, "Hay oportunidades únicas para estudiar actividades que están desreguladas en muestras de pacientes y modelos de enfermedades". En general, esperamos que las sondas de hidracina conserven todas las capacidades de las sondas ABPP clásicas, incluido el descubrimiento de inhibidores y nuevos mecanismos de acción, "Dice Matthews." En algunos casos, esperamos descubrir algo de biología nueva, también."
