Subito dopo che Jake Eaton è entrato a far parte del laboratorio di Stuart Schreiber al Broad Institute del MIT e ad Harvard nel 2015, il ricercatore postdottorato è stato incuriosito da alcune teorie selvagge dibattute dai suoi colleghi. Le teorie erano incentrate su una strana piccola molecola nota come ML210, che può uccidere le cellule attivando un processo cellulare chiamato ferroptosi. Vasanthi Viswanathan, un borsista post-dottorato nel laboratorio Schreiber, aveva scoperto che l'induzione della ferroptosi poteva uccidere alcune cellule cancerose resistenti ai farmaci. Eaton, Viswanathan, e Schreiber credevano che capire come ML210 innesca quel processo potrebbe svelare segreti su come sviluppare farmaci per il trattamento dei tumori resistenti alle terapie esistenti, o prevenire la resistenza in primo luogo.

Eaton e i suoi colleghi sapevano che il composto ML210 induce la ferroptosi inibendo GPX4, una proteina che protegge le cellule dallo stress ossidativo. Hanno ipotizzato che lo facesse formando un tipo specifico di legame chimico, detto legame covalente, con la proteina. Il problema era, la struttura chimica di ML210 non ha mostrato modi evidenti per formare legami covalenti, portando ad alcune speculazioni inverosimili da parte degli scienziati scettici su come sia stato in grado di legare GPX4.

"Ci siamo chiesti, 'Sta legando GPX4 in un modo diverso? Agisce su altri nodi nel percorso GPX4, o fare qualcosa di completamente nuovo?', " ha detto Eaton. "Era un vero mistero chimico."

Ora, dopo anni di lavoro, scienziati del Broad Institute, in collaborazione con scienziati della Bayer, hanno risolto questo enigma chimico. In uno studio in Natura chimica biologia , mostrano che ML210 si trasforma all'interno della cellula in una nuova molecola, che si trasforma in una terza molecola che poi si lega covalentemente a GPX4. Il meccanismo che hanno rivelato è estremamente insolito e dimostra un modo non apprezzato in cui "pro-farmaci" come ML210 possono essere convertiti in molecole in grado di legare covalentemente proteine ​​bersaglio all'interno delle cellule.

Nel lavoro, gli scienziati descrivono una nuova serie di composti che gli scienziati possono utilizzare per saperne di più su come le cellule subiscono la ferroptosi, un processo scoperto solo un decennio fa. Inoltre, le molecole sono punti di partenza per lo sviluppo di composti che possono inibire la GPX4 e uccidere le cellule tumorali resistenti ai farmaci non solo in un piatto, ma potenzialmente anche in modelli animali e persino pazienti.

"Ricordo di aver detto, "Temo che porterò questo mistero ML210 nella mia tomba", " ha detto il co-autore senior Schreiber, che è co-fondatore e membro principale dell'istituto presso il Broad e il Morris Loeb Professor nel Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica dell'Università di Harvard. "Come sbucciare i tanti strati di una cipolla, Jake ha rivelato, passo dopo passo, l'affascinante sequenza di reazioni chimiche che le cellule conferiscono a ML210, che ha pochissimo precedenza nella chimica organica. È stato un brillante lavoro di investigazione molecolare da parte di Jake".

lavoro investigativo

La ferroptosi è stata formalmente descritta per la prima volta quasi un decennio fa da Brent Stockwell, un ex studente nel laboratorio di Schreiber che ora è professore alla Columbia University. Nella ferroptosi, le molecole lipidiche nella membrana cellulare vengono ossidate, portando a un accumulo di molecole tossiche chiamate perossidi lipidici che alla fine uccide la cellula. GPX4 protegge le cellule da questo tipo di morte convertendo i perossidi lipidici in composti non tossici.

Viswanathan, un trapianto dal laboratorio Stockwell al laboratorio Schreiber, motivato che una molecola che distrugge GPX4 potrebbe essere l'ispirazione per un nuovo tipo di farmaco contro il cancro. Però, GPX4 è un obiettivo impegnativo, perché è piatto, struttura chimica informe non ha un posto ovvio a cui i farmaci possono legarsi.

Nel 2010, un piccolo sforzo di scoperta di molecole chiamato Molecular Libraries Probe Production Centers Network, con sede in parte presso il Broad Institute, aveva scoperto alcuni composti che legano GPX4 e inducono ferroptosi, due di questi appartengono a una classe di molecole note come cloroacetamidi, che legano covalentemente GPX4. Ma questi composti non sono buoni candidati per lo sviluppo di farmaci o negli studi sugli animali perché sono altamente reattivi e distruggono molte altre proteine, portando a effetti collaterali indesiderati. È inoltre improbabile che persistano nel corpo abbastanza a lungo da legare e bloccare GPX4.

Un terzo composto dallo schermo del 2010 era ML210, un "composto anomalo" che è chimicamente distinto dalle cloroacetamidi. Eaton e Viswanathan hanno esaminato i dati su ML210 dal Cancer Therapeutics Response Portal, un database sviluppato dai ricercatori del Broad e sponsorizzato in parte dal National Cancer Institute. Dai dati, sembrava che ML210 agisse in modo simile alle cloroacetamidi formando un legame covalente con GPX4. Ciò che ha lasciato perplessi i ricercatori è che ML210 non contiene una "testata covalente, "una struttura chimica chiave che gli consentirebbe di accoppiarsi con GPX4 in questo modo.

Mistero vincolante

Per sondare come ML210 inibisce GPX4, il team aveva bisogno di metodi migliori per studiare GPX4 in laboratorio. Con i colleghi della Bayer, hanno sviluppato un sistema per sovraesprimere la proteina nelle cellule dei mammiferi e hanno prodotto saggi per studiare come le molecole interagiscono con essa.

"Una delle cose grandiose di questa particolare collaborazione industria-accademico è stata il superamento di alcuni dei problemi che abbiamo affrontato in questa ricerca, " ha detto Eaton. "Non credo che avremmo superato queste sfide da soli".

I test hanno confermato che ML210 era, infatti, inibendo GPX4 attraverso il legame covalente, e che lo faceva molto più precisamente delle due cloroacetamidi.

Questo suggerimento ha portato Eaton a un ulteriore lavoro di investigazione chimica, che ha rivelato che ML210 subisce un paio di insolite trasformazioni chimiche nella cellula per acquisire la capacità di legarsi e inibire GPX4. ML210 viene prima trasformato in un composto che il team ha soprannominato JKE-1674. La cellula converte questo composto in un'altra molecola insolita chiamata JKE-1777, che è in grado di legare covalentemente GPX4.

Sebbene JKE-1777 sia instabile al di fuori della cella, JKE-1674 e i composti correlati che il team ha sintetizzato sono stabili e selettivi per GPX4, e sono più adatti di ML210 per l'uso in modelli animali o forse anche pazienti.

Macchine senza precedenti

In un documento correlato in Giornale della Società Chimica Americana , i ricercatori descrivono un'altra serie di composti noti come diacilfuroxani che inibiscono anche GPX4 in modo covalente. Sebbene questi composti non siano selettivi come ML210 o JKE-1674 ed è improbabile che siano utili a livello terapeutico, lo studio associato ha aiutato gli scienziati a dare un senso alle nuove osservazioni fatte nello studio ML210.

"Questi composti sono macchine molecolari che non hanno precedenti nella storia della biologia chimica per le insolite caratteristiche chimiche multistrato che sono alla base della loro specificità, " ha detto il co-autore senior Vasanthi Viswanathan, un associato post-dottorato nel laboratorio Schreiber.

Resta ancora molto lavoro per determinare quali processi cellulari guidano la trasformazione di ML210 nella sua forma attiva, e se una qualsiasi delle molecole può essere utilizzata in modelli animali o anche nell'uomo come composti terapeutici.

Se le molecole o le loro varianti si dimostrano promettenti come nuove terapie, potrebbero dare origine a una nuova classe di farmaci che un giorno potrebbero aiutare a combattere i tumori resistenti ai farmaci.