Инженерия ферментов: Новый метод избирательно уничтожает болезнетворные белки

Ученые давно пытаются воздействовать на белки, лишенные четкой структуры и вовлеченные в развитие рака, нейродегенеративных заболеваний (как болезнь Паркинсона) и других серьезных недугов. Новое исследование из Scripps Research демонстрирует рабочую концепцию новой стратегии: инженерию протеаз — ферментов, разрезающих белки в определенных местах — для избирательной деградации этих труднодоступных мишеней с высокой точностью в протеоме человеческих клеток.

Опубликованное 24 марта 2025 года в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследование показывает, как перепрограммировать протеазу из ботулинического токсина для нацеливания на α-синуклеин — белок с неструктурированными областями, использованный здесь в качестве модели. Работа служит доказательством концепции более широкого подхода, применимого к множеству мишеней в протеоме.

Исследование основано на ботулиническом токсине, бактериальном белке, известном по его использованию в препарате Botox. Этот токсин естественным образом содержит протеазу. В исходной форме она нацелена только на белок SNAP-25, необходимый для передачи сигналов между нервными клетками.

Чтобы перенаправить эту точность на α-синуклеин, команда модифицировала фермент с помощью направленной эволюции — лабораторного процесса, включающего внесение мутаций и отбор вариантов с улучшенной функцией за несколько циклов. Результатом стала Протеаза 5.

Основной задачей было не просто перенацелить фермент, а обеспечить его атаку только на α-синуклеин. α-синуклеин — пример белка со структурной неупорядоченностью (intrinsically disordered proteins, IDPs), не имеющего стабильной формы, что делает его сложной мишенью для традиционных препаратов.

Используя направленную эволюцию, команда шаг за шагом модифицировала протеазу, отбирая варианты с растущим предпочтением к α-синуклеину. Каждый раунд делал фермент более специализированным, пока он не смог избирательно разрушать α-синуклеин, не затрагивая другие белки.

При тестировании в человеческих клетках Протеаза 5 почти полностью устранила все белки α-синуклеина, что указывает на возможность предотвращения его вредного накопления при болезни Паркинсона. При этом фермент не вызывал токсичности и не нарушал жизненно важные клеточные функции.

Хотя исследование является важным доказательством концепции, перед созданием жизнеспособной терапии предстоит преодолеть препятствия. Ключевые проблемы — доставка Протеазы 5 в мозг (крупные белки плохо проходят гематоэнцефалический барьер) и обеспечение отсутствия иммунного ответа.

Однако сам ботулинический токсин дает преимущества: он обладает естественной способностью проникать в нейроны, а его использование в Botox на протяжении десятилетий демонстрирует минимальную иммунную реакцию, что делает его перспективной основой для терапевтического фермента.

Следующим шагом станет разработка стратегий доставки эволюционировавших протеаз к целевым тканям. Лаборатория уже применяет разработанную методологию для деградации ключевых белков, участвующих в раке, включая c-Myc и K-Ras.