Убиквитин может метить синтетические соединения, открывая новый путь в разработке лекарств
Маленький, но мощный: убиквитин контролирует срок жизни и распределение белков в клетке, а также может определять их форму, функцию или взаимодействие с другими компонентами. Ключевую роль в этом процессе играют убиквитинлигазы, которые точно распознают нужные белки среди десятков тысяч молекул и присоединяют к ним правильные инструкции. Нарушения этой точной системы маркировки могут приводить к сбоям в клеточных процессах и заболеваниям, таким как рак.
С другой стороны, можно создавать лекарства, модулирующие активность убиквитинлигаз и направляющие их на мечение убиквитином специфических болезнетворных белков с целью их деградации. Однако на данный момент этот принцип применим лишь к немногим из более чем 600 человеческих убиквитинлигаз.
Убиквитинлигаза HUWE1 представляет собой интересную, но неиспользуемую мишень для терапевтических стратегий, играя важную роль в опухолях и нарушениях нейроразвития. Хотя в научных исследованиях для ингибирования HUWE1 использовались лекарственно-подобные соединения, механизм их действия оставался неясным, что мешало их продвижению в качестве потенциальных терапевтических агентов.
Сложный процесс открытия
Команда под руководством Сони Лоренц из Института мультидисциплинарных наук Общества Макса Планка раскрыла неожиданный механизм действия этих соединений. Используя междисциплинарный подход, исследователи объединили методы белковой биохимии, клеточной биологии и клик-химии.
Ключевыми для успеха проекта также стали специально разработанный молекулярный синтез от медико-химиков под руководством Маттиаса Герингера из Университета Тюбингена, масс-спектрометрические измерения группы Хеннинга Урлауба и молекулярно-динамическое моделирование коллег из отдела Хельмута Грубмюллера в MPI.
Конкуренция вместо ингибирования
«Мы обнаружили, что лекарственно-подобные соединения, продаваемые как ингибиторы HUWE1, действительно взаимодействуют с этим ферментом — но не ингибируют его. Вместо этого HUWE1 распознаёт сами соединения как молекулы-мишени и метит их убиквитином», — сообщает Лоренц.
«Когда лекарственно-подобные соединения подаются в избытке по сравнению с естественным белком-мишенью в пробирке, они расходуют убиквитин. Именно эта конкуренция между соединениями и белком-мишенью ранее была ошибочно интерпретирована как ингибирование HUWE1», — добавляет Павел Поль, один из ведущих авторов исследования, опубликованного в журнале Nature Communications.
Команде также впервые удалось продемонстрировать мечение синтетических соединений убиквитином в живых клетках. Однако ситуация здесь гораздо сложнее, чем в пробирке.
«В клетке HUWE1 способствует убиквитинированию соединений, но не является единственным драйвером этого процесса», — объясняет Барбара Орт, ещё один ведущий автор исследования. Это означает, что другие клеточные убиквитинирующие ферменты также могут метить лекарственно-подобные молекулы убиквитином. Это открытие имеет фундаментальное значение, поскольку сигналы убиквитина ранее наблюдались в клетках только на белках, сахарах и других биомолекулах, но не на синтетических соединениях.
«Новый спектр субстратов будет особенно интересен для терапевтических и биотехнологических применений в области убиквитина. Наше открытие предлагает конкретные стратегии для разработки новых молекулярных инструментов, позволяющих модулировать клеточную систему убиквитина и, в свою очередь, влиять на патологические процессы», — поясняет Лоренц.