Peu de temps après que Jake Eaton a rejoint le laboratoire de Stuart Schreiber au Broad Institute du MIT et de Harvard en 2015, le chercheur postdoctoral est devenu intrigué par certaines théories folles débattues par ses collègues. Les théories étaient centrées sur une étrange petite molécule connue sous le nom de ML210, qui peut tuer les cellules en activant un processus cellulaire appelé ferroptose. Vasanthi Viswanathan, un stagiaire postdoctoral au laboratoire Schreiber, avait découvert que l'induction de la ferroptose pouvait tuer certaines cellules cancéreuses résistantes aux médicaments. Eaton, Viswanathan, et Schreiber pensait que comprendre comment le ML210 déclenche ce processus pourrait révéler des secrets sur la façon de développer des médicaments pour traiter les cancers résistants aux thérapies existantes, ou empêcher la résistance en premier lieu.

Eaton et ses collègues savaient que le composé ML210 induisait la ferroptose en inhibant GPX4, une protéine qui protège les cellules du stress oxydatif. Ils ont supposé qu'il l'avait fait en formant un type spécifique de lien chimique, appelée liaison covalente, avec la protéine. Le problème était, la structure chimique du ML210 n'a montré aucun moyen évident de former des liaisons covalentes, conduisant à des spéculations farfelues de la part des scientifiques sceptiques sur la façon dont il était capable de lier GPX4.

"On s'est demandé, « Est-ce que cela lie GPX4 d'une manière différente ? Agit-il sur d'autres nœuds de la voie GPX4, ou faire quelque chose d'entièrement nouveau ?', " a déclaré Eaton. " C'était un vrai mystère chimique. "

Maintenant, après des années de travail, scientifiques du Broad Institute, en collaboration avec les scientifiques de Bayer, ont résolu cette énigme chimique. Dans une étude en Nature Chimie Biologie , ils montrent que ML210 se transforme à l'intérieur de la cellule en une nouvelle molécule, qui se transforme en une troisième molécule qui se lie ensuite de manière covalente à GPX4. Le mécanisme qu'ils ont révélé est extrêmement inhabituel et démontre une manière méconnue que les « pro-médicaments » comme le ML210 peuvent être convertis en molécules capables de lier de manière covalente les protéines cibles au sein des cellules.

Dans le travail, les scientifiques décrivent un nouvel ensemble de composés que les scientifiques peuvent utiliser pour en savoir plus sur la façon dont les cellules subissent la ferroptose, un processus découvert il y a seulement une décennie. En outre, les molécules sont des points de départ pour le développement de composés capables d'inhiber le GPX4 et de tuer les cellules cancéreuses résistantes aux médicaments, pas seulement dans un plat, mais potentiellement aussi dans des modèles animaux et même des patients.

"Je me souviens avoir dit, "Je crains d'emporter ce mystère ML210 dans ma tombe", " a déclaré le co-auteur principal Schreiber, qui est co-fondateur et membre principal de l'institut du Broad et du professeur Morris Loeb au Département de chimie et de biologie chimique de l'Université Harvard. "Comme éplucher les nombreuses couches d'un oignon, Jake a révélé, pas à pas, la fascinante séquence de réactions chimiques que les cellules confèrent au ML210, qui a très peu de préséance en chimie organique. C'était un travail brillant de détective moléculaire de Jake."

travail de détective

La ferroptose a été décrite pour la première fois il y a près d'une décennie par Brent Stockwell, un ancien étudiant du laboratoire de Schreiber qui est maintenant professeur à l'Université Columbia. Dans la ferroptose, les molécules lipidiques de la membrane cellulaire sont oxydées, conduisant à une accumulation de molécules toxiques appelées peroxydes lipidiques qui finissent par tuer la cellule. GPX4 protège les cellules de ce type de mort en convertissant les peroxydes lipidiques en composés non toxiques.

Viswanathan, une greffe du laboratoire Stockwell dans le laboratoire Schreiber, a estimé qu'une molécule qui perturbe GPX4 pourrait être l'inspiration pour un nouveau type de médicament contre le cancer. Cependant, GPX4 est une cible difficile, parce que c'est plat, structure chimique sans particularité n'a pas de place évidente pour laquelle les médicaments peuvent se lier.

En 2010, un effort de découverte de petites molécules appelé Molecular Libraries Probe Production Centers Network, basé en partie au Broad Institute, avait découvert quelques composés qui se lient au GPX4 et induisent la ferroptose - deux d'entre eux appartiennent à une classe de molécules connues sous le nom de chloroacétamides, qui se lient de manière covalente à GPX4. Mais ces composés ne sont pas de bons candidats pour le développement de médicaments ou dans les études animales car ils sont très réactifs et perturberont de nombreuses autres protéines, entraînant des effets secondaires inattendus. Il est également peu probable qu'ils persistent dans le corps assez longtemps pour se lier et bloquer GPX4.

Un troisième composé du criblage de 2010 était le ML210, un « composé aberrant » qui est chimiquement distinct des chloroacétamides. Eaton et Viswanathan ont examiné les données sur le ML210 du Cancer Therapeutics Response Portal, une base de données développée par des chercheurs du Broad et parrainée en partie par le National Cancer Institute. A partir des données, il semblait que ML210 agissait de la même manière que les chloroacétamides en formant une liaison covalente avec GPX4. Ce qui a déconcerté les chercheurs, c'est que le ML210 ne contient pas d'"ogive covalente, " une structure chimique clé qui lui permettrait de s'apparier avec GPX4 de cette manière.

Mystère liant

Pour sonder comment ML210 inhibe GPX4, l'équipe avait besoin de meilleures méthodes pour étudier GPX4 en laboratoire. Avec des collègues de Bayer, ils ont développé un système pour surexprimer la protéine dans les cellules de mammifères et ont produit des tests pour étudier comment les molécules interagissent avec elle.

"L'une des grandes choses à propos de cette collaboration industrie-université particulière a été de surmonter certains des problèmes auxquels nous avons été confrontés dans cette recherche, " a déclaré Eaton. "Je ne pense pas que nous aurions surmonté ces défis par nous-mêmes."

Les tests ont confirmé que ML210 était, En réalité, inhibant GPX4 par liaison covalente, et qu'il l'a fait beaucoup plus précisément que les deux chloroacétamides.

Cet indice a conduit Eaton à poursuivre son travail de détective chimique, qui a révélé que ML210 subit quelques transformations chimiques inhabituelles dans la cellule pour acquérir la capacité de se lier et d'inhiber GPX4. Le ML210 est d'abord transformé en un composé que l'équipe a baptisé JKE-1674. La cellule convertit ce composé en une autre molécule inhabituelle appelée JKE-1777, qui est capable de se lier de manière covalente à GPX4.

Bien que JKE-1777 soit instable en dehors de la cellule, JKE-1674 et les composés apparentés que l'équipe a synthétisés sont stables et sélectifs pour GPX4, et sont plus adaptés que ML210 pour une utilisation dans des modèles animaux ou peut-être même des patients.

Des machines sans précédent

Dans un article connexe du Journal de l'American Chemical Society , les chercheurs décrivent un autre ensemble de composés connus sous le nom de diacylfuroxanes qui inhibent également GPX4 de manière covalente. Bien que ces composés ne soient pas aussi sélectifs que le ML210 ou le JKE-1674 et qu'il soit peu probable qu'ils soient utiles en thérapeutique, l'étude complémentaire a aidé les scientifiques à donner un sens aux nouvelles observations faites dans l'étude ML210.

"Ces composés sont des machines moléculaires sans précédent dans l'histoire de la biologie chimique pour les caractéristiques chimiques multicouches inhabituelles qui sous-tendent leur spécificité, " a déclaré le co-auteur principal Vasanthi Viswanathan, un associé postdoctoral dans le laboratoire Schreiber.

Il reste encore du travail pour déterminer quels processus cellulaires guident la transformation de ML210 en sa forme active, et si l'une quelconque des molécules peut être utilisée dans des modèles animaux ou même chez l'homme en tant que composés thérapeutiques.

Si les molécules ou leurs variantes s'avèrent prometteuses en tant que nouvelles thérapeutiques, ils pourraient donner naissance à une nouvelle classe de médicaments qui pourraient un jour aider à lutter contre les tumeurs résistantes aux médicaments.