Les chercheurs utilisent des outils à petites molécules synthétisés, appelées sondes chimiques, avec des propriétés similaires à celles d'un médicament pour identifier des types spécifiques de protéines afin de trouver de nouvelles pistes médicamenteuses potentielles. Cependant, les technologies actuellement disponibles ne permettent pas d'accéder à des cibles thérapeutiques contenant des métaux, métabolites, ou des modifications post-traductionnelles.

Maintenant, une étude du laboratoire de Megan Matthews et de ses collègues suggère de nouvelles façons de manipuler cette classe de cibles de la maladie qui sont jusqu'à présent restées « non médicamenteuses ». Les résultats ont été publiés dans ACS Science centrale et figurent sur la couverture de septembre de la publication.

Les scientifiques du laboratoire Matthews sont des biologistes chimiques multidisciplinaires et collaboratifs. Ils ont une expertise en chimie de synthèse, enzymologie, biologie cellulaire, et la protéomique chimique basée sur la spectrométrie de masse, qui est couramment utilisé pour caractériser les interactions petites molécules-protéines et leurs effets sur la fonction des protéines. En utilisant cette approche, les chercheurs peuvent globalement profiler et découvrir des protéines qui réagissent avec des sondes spécifiques, comprendre ce que font ces protéines, et inhiber les activités de la protéine par de nouveaux mécanismes.

Dans cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur la cartographie de la réactivité chimique d'une organohydrazine, –NHNH 2 , sonde qui imite l'un des premiers antidépresseurs approuvés par la FDA, connu sous le nom de phénelzine, en utilisant une méthode appelée profilage des protéines basé sur l'activité (ABPP). Les sondes ABPP classiques ciblent un seul type d'acide aminé qui est nucléophile, ou riche en électrons, alors que les sondes hydrazine sont conçues pour capturer les cofacteurs enzymatiques et les modifications post-traductionnelles qui sont électrophiles, ou pauvre en électrons.

"Les hydrazines capturent toutes sortes de cibles vraiment excitantes par une chimie vraiment intéressante, nous l'utilisons donc comme point de départ pour la découverte d'inhibiteurs d'enzymes, " dit Matthews, l'investigateur principal de cette étude. "Nous voulions demander quelles sont toutes les choses que ce pharmacophore peut faire à l'échelle du protéome, et grâce à la spectrométrie de masse, nous pouvons le faire."

Après avoir déployé leur sonde dans deux lignées cellulaires humaines, ils ont montré que les sondes réagissent avec des cibles de plusieurs classes d'enzymes qui utilisent une large gamme de cofacteurs; Les cofacteurs sont différents types de machines chimiques qui aident une protéine à remplir sa fonction. Puis, en cartographiant les emplacements de marquage des sondes sur les protéines, les scientifiques ont démontré deux modes de réactivité, appelée attaque polaire directe et activation/fragmentation oxydative, qui reposent sur les propriétés polyvalentes de l'hydrazine et sa capacité à capturer différents types de déficit en électrons.

L'un des plus grands défis techniques, dit le postdoc et premier auteur Zongtao "Tom" Lin, était d'identifier où et comment la sonde réagissait avec les protéines, car ce n'était pas quelque chose de facilement prévisible. "Notre solution était d'utiliser des sondes isotopiques d'hydrazine, remplacement des atomes d'azote d'abondance naturelle ¹⁴ N, avec son homologue "lourd" ¹⁵ N. Cela nous a permis de voir si le groupement hydrazine était perdu après réaction avec la protéine ou non, " dit Lin. " Après ça, nous nous sommes appuyés sur un flux de travail informatique pour faire correspondre les modèles de fragmentation des peptides et affiner les sites de marquage des sondes. Cette combinaison de sondes isotopiques d'hydrazine et de recherches informatiques nous a permis d'atteindre notre objectif."

L'équipe a constaté que, bien que les hydrazines soient largement réactives, ils restent dirigés vers le site actif et sont bloqués par d'autres molécules qui occupent le site actif d'une protéine. "Parce qu'ils ciblent la chimie fonctionnelle, ils sont capables de lire l'état fonctionnel de nombreuses classes d'enzymes différentes. C'est assez étonnant car il se rapproche du Saint Graal à sonde unique pour pouvoir profiler toute fonctionnalité de protéine déficiente en électrons, " dit Matthews. " Alors maintenant, en principe, nous pouvons développer des molécules sélectives pour des cibles trouvées dans cette moitié inexplorée du protéome qui est désormais « droguable », " et c'est vraiment puissant et expansif."

Prochain, les scientifiques élaboreront et ajusteront ces hydrazines pour déterminer si les nucléophiles diversifiés ont la même capacité que les électrophiles pour servir de puissants, inhibiteurs sélectifs des enzymes cofacteur-dépendantes.

Matthews ajoute que parce que ces méthodes sont "agnostiques de la maladie, " il existe des opportunités uniques d'étudier des activités dérégulées dans des échantillons de patients et des modèles de maladie. " Dans l'ensemble, nous nous attendons à ce que les sondes hydrazine conservent toutes les capacités des sondes ABPP classiques, y compris la découverte d'inhibiteurs et de nouveaux mécanismes d'action, " dit Matthews. " Dans certains cas, nous espérons découvrir une nouvelle biologie, trop."