Новый метод визуализации белков поможет в разработке инновационных противораковых препаратов
Ученые успешно применили новую методику визуализации для определения структуры и взаимодействий белкового комплекса, играющего важную роль в возникновении и развитии рака. Они продемонстрировали, что с помощью высокоразрешающей криогенной электронной микроскопии (cryo-EM) можно получить лучшее представление о том, как белковый комплекс связывается с молекулами ингибиторных препаратов.
Белковый комплекс — киназа, активирующая циклин-зависимые киназы (cyclin-dependent kinase, CDK), известная как CAK — считается перспективной мишенью для противораковых препаратов. Поэтому полное понимание его молекулярного состава должно облегчить дизайн новых эффективных методов лечения на основе структуры.
Кроме того, другие исследователи смогут применять эту новую методологию в своей работе, что потенциально может помочь в открытии лекарств в широком смысле — как географически, так и для различных типов рака.
Исследование возглавляли ученые из Института исследования рака в Лондоне (The Institute of Cancer Research, London), которые сотрудничали с группами из Имперского колледжа Лондона и Thermo Fisher Scientific. Статья опубликована в журнале Nature Communications.
Применение cryo-EM для дизайна лекарств на основе структуры
Cryo-EM — это передовая методика, раскрывающая детальную структуру биологических молекул путем быстрой заморозки образцов до температуры ниже -150°C и последующего пропускания через них пучка электронов для сбора изображений под разными углами. Эти изображения обрабатываются компьютером, который создает трехмерную модель молекул.
Хотя cryo-EM является полезным инструментом в структурной биологии, разрешение получаемых изображений может быть ограничивающим фактором, и методика не всегда может обработать достаточно информации для получения необходимой исследователям детализации в разумные сроки.
Столкнувшись с этой проблемой, команда под руководством ICR решила использовать усовершенствованный рабочий процесс cryo-EM. Исследователи начали с быстрого скрининга на менее дорогом и более доступном приборе cryo-EM, требующем нахождения образца в вакууме. Они оценивали получаемые изображения еще во время сбора данных и продвигали на следующий этап только образцы с высоким потенциалом. На этом этапе использовалась технология холодной автоэмиссионной пушки (cold field emission gun), которая обеспечивает изображения более высокого разрешения и идеально подходит для получения детальных изображений небольших молекулярных комплексов.
Этот подход позволил исследователям получить исключительные изображения, большинство из которых имели разрешение 2 ангстрема (Å). До этой работы такое высокое разрешение было достигнуто лишь для одного белкового комплекса схожего малого размера, и он не был медицински значимой мишенью. Команда также показала, что с помощью высокотехнологичного микроскопа можно определять более 12 структур с разрешением до 4 Å в день.
Углубление знаний о CAK
CAK — это белковый комплекс, состоящий из CDK7, циклина H и MAT1. Он отвечает за активацию нескольких других CDK, которые регулируют клеточный цикл и обеспечивают точную репликацию ДНК во время деления клетки. Если эти CDK активируются аномально, это может привести к неконтролируемому росту раковых клеток. Из-за этого CAK был идентифицирован как перспективная терапевтическая мишень при раке.
Шесть экспериментальных препаратов, нацеленных на CAK путем ингибирования CDK7, были допущены до клинических испытаний, но разработка этих соединений очень сложна, потому что структура активного сайта у разных CDK очень похожа. Это затрудняет нацеливание на CDK7 без одновременного воздействия на другие CDK.
В этом исследовании ученые определили 16 детальных структур каталитического модуля CAK — части, которая облегчает его реакции. Они включали структуры как свободного CAK, так и CAK, связанного с другими субстратами. На основе этих структур команда смогла раскрыть определенные механизмы селективности CDK7, которые должны заложить основу для будущего дизайна ингибиторов CDK7.
Ведущий автор Виктория Кушниг, аспирант ICR, сказала: «Этот методологический прогресс действительно интересен для сообщества структурных биологов. Он преодолел давнюю техническую проблему, позволив нам достичь как высокого разрешения, так и высокой пропускной способности. Мы уже использовали его, чтобы получить детальное представление о взаимодействиях между CAK и его ингибиторами, что должно поддержать разработку терапевтических средств следующего поколения».
Старший автор доктор Базил Гребер, руководитель группы структурной биологии комплексов репарации ДНК в ICR, сказал: «Мы рады, что установили основу для применения cryo-EM в дизайне лекарств на основе структуры. Это будет особенно полезно для небольших белков-мишеней, которые не могут быть кристаллизованы и для которых методы на основе структуры ранее были недоступны. Мы надеемся, что наша работа позволит ученым в других лабораториях, институтах или в промышленности применять эту методологию для открытия лекарств, значительно расширив сферу ее влияния».