Precyzyjne przycinanie za pomocą PROTAC: selektywne celowanie w toksyczną huntingtynę

W przyrodzie organizmy dominujące są znane z przejmowania zasobów naturalnych na danym obszarze. Na przykład drzewo, które z czasem rośnie wysoko, jest wystawione na działanie dużych ilości światła słonecznego. Jeśli jednak obok wysokiego drzewa zostanie posadzona sadzonka, nie będzie miała takiego samego dostępu do słońca i może nie przetrwać. W komórkach nieprawidłowo zwinięte białka mogą wchodzić ze sobą w interakcje, tworząc lepkie skupiska, znane również jako agregaty, które mogą działać jak organizm dominujący. W chorobach takich jak choroba Huntingtona (HD) te skupiska mogą zużywać energię i zasoby w komórce, powodując stres białkowy i ostatecznie przyczyniając się do śmierci komórki.

W niedawnym badaniu naukowcy stworzyli substancję chemiczną, która rozkłada skupiska rozszerzonej huntingtyny HTT w komórkach HD i modelach mysich. Ta substancja chemiczna znajduje skupiska HTT i kieruje je do rozbicia lub degradacji. Przycinanie tylko skupisk rozszerzonej HTT i pozostawianie zdrowej HTT może ostatecznie poprawić zdrowie komórki. Przyjrzyjmy się bliżej temu, co odkryło to badanie.

Wybór sadzonki

W HD powtarzający się odcinek kodu genetycznego C-A-G powoduje wytworzenie rozszerzonej formy białka HTT. Rozszerzona HTT jest bardzo długa i zwija się w nieco inny kształt niż zwykła forma HTT. Nowy kształt HTT może prowadzić do tworzenia skupisk HTT, które podejrzewa się o zwiększanie stresu białkowego, co może prowadzić do śmierci komórki. Jednym z pomysłów jest pozbycie się tych toksycznych skupisk HTT, ale wiąże się to z własnym zestawem wyzwań.

Osoby z HD wytwarzają zarówno zwykłą, jak i rozszerzoną HTT. Ponieważ zwykła HTT odgrywa ważne role w zdrowiu i funkcjonowaniu komórki, zachowanie jej części może być istotne. Wyobraź sobie, że leśnik chce dać specjalnej sadzonce więcej światła słonecznego, więc rozpyla środek chwastobójczy, który niszczy wszystkie rośliny w okolicy. Środek chemiczny pozbyłby się wysokiego drzewa, ale sadzonka prawdopodobnie też by nie przetrwała. Zamiast tego leśnik musi znaleźć sposób na usunięcie wysokiego drzewa bez szkodzenia sadzonce. Podobnie naukowcy badają terapie, które skupiają się na pozbyciu się rozszerzonego białka HTT przy jednoczesnym zachowaniu zdrowej zwykłej formy HTT.

Celowanie w wysokie drzewo

Jak celować w rozszerzoną HTT, ale nie w zwykłą HTT? W badaniu z laboratorium Jen-Tse Huanga na Tajwanie naukowcy zaprojektowali związek o nazwie PROTAC 2′ (wymawiany pro-tack two prime), który może to zrobić w laboratoryjnych modelach HD. PROTAC 2′ znajduje skupiska rozszerzonej HTT, które mają kształt odmienny od zwykłej HTT, i się do nich przyczepia.

Laboratorium Huanga zaprojektowało PROTAC 2′ nie tylko po to, żeby rozpoznawał rozszerzoną HTT, ale także żeby przynosił ją do komórkowego mechanizmu utylizacji śmieci w celu rozbicia. To tak, jakby leśnik nosił ze sobą środki chwastobójcze podczas szukania drzewa. Jest to o wiele bardziej wydajne niż zlokalizowanie drzewa, powrót po środki chemiczne i mieć nadzieję, że zapamiętają, gdzie je znaleźli. Ponieważ PROTAC 2′ chwyta skupiska rozszerzonej HTT ORAZ istniejący w komórce mechanizm utylizacji śmieci, skupiska mogą być łatwiej rozbijane i usuwane.

Czyszczenie toksycznych skupisk rozszerzonej HTT w komórkach

Rozszerzone HTT może występować w różnych formach. Naukowcy czasami definiują te formy na podstawie ich zdolności do rozpuszczania się w różnych płynach lub sposobu, w jaki zachowują się, gdy są znakowane kolorowymi chemicznymi „znacznikami”. Zlepki rozszerzonego HTT, które nie rozpuszczają się łatwo lub są ściśle upakowane, są często nazywane „nierozpuszczalnymi”. Białko HTT z rozszerzoną sekwencją może również występować w formie „rozpuszczalnej”. Istnieją pewne dowody na to, że nierozpuszczalna forma rozszerzonego HTT może być bardziej toksyczna.

W komórkach w naczyniu, które były leczone PROTAC 2′, naukowcy znaleźli niższe poziomy nierozpuszczalnych skupisk rozszerzonej HTT, podczas gdy poziomy innych form HTT pozostały takie same. To sugeruje, że PROTAC 2′ pomaga komórkom pozbyć się skupisk rozszerzonej HTT, nie wpływając na inne formy białka – dokładnie tak, jak mieli nadzieję naukowcy!

Laboratorium Huanga było również zainteresowane tym, jak komórki reagowały na niższe poziomy skupisk rozszerzonej HTT. W komórkach leczonych PROTAC 2′ naukowcy zaobserwowali wzrost przeżywalności komórek i mniej dowodów stresu. To sugeruje, że leczenie komórek PROTAC 2′ może pomóc zmniejszyć niektóre problemy w komórce, które wiążemy z HD.

Spowolnienie progresji HD u myszy

Naukowcy wstrzyknęli również PROTAC 2′ myszom modelującym HD, żeby zobaczyć, czy PROTAC 2′ może zmniejszyć ich objawy podobne do HD. Te myszy są zaprojektowane tak, żeby nosiły ludzki gen HD z ekspansją około 120 powtórzeń CAG. Prowadzi to do tworzenia skupisk rozszerzonej HTT i stanu zapalnego w mózgu, a także postępującej utraty wagi, pogorszenia funkcji motorycznych i znacznie krótszej długości życia w porównaniu z myszami, które nie mają genu HD.

Przed pracą z chorymi myszami naukowcy dowiedzieli się więcej o bezpieczeństwie i działaniu PROTAC 2′, wstrzykując tę cząsteczkę myszom, które nie nosiły mutacji HD. Następnie leczyli myszy modelujące HD i stwierdzili, że myszy, którym podano PROTAC 2′, miały mniej skupisk HTT, poprawę w innych markerach mózgowych i objawach oraz dłuższą długość życia w porównaniu z nieleczonymi myszami HD. To sugeruje, że leczenie PROTAC 2′ może opóźniać skutki progresji HD w tym modelu choroby.

Patrząc w przyszłość

Naukowcy z laboratorium Huanga zaprojektowali związek, który rekrutuje zarówno skupiska HTT, jak i mechanizm degradacji do tego samego miejsca. Jak leśnik chroniący cenną sadzonkę, PROTAC 2′ skutecznie rozbija skupiska w komórkach, oszczędzając jednocześnie zwykłą huntingtynę. To spowolniło progresję objawów podobnych do HD u myszy, a autorzy sugerują, że PROTAC mogą mieć potencjał jako terapia w przyszłości.

Chociaż udało im się wykazać potencjał tych cząsteczek u myszy, jest jeszcze wiele do zrobienia, zanim będziemy mogli przejść do zastosowania tego podejścia u ludzi. Jednym z wyzwań jest to, że PROTAC są po większej stronie cząsteczek podobnych do leków i może być dla nich trudne wejście głęboko w tkankę mózgową, co jest większym problemem w większym (ludzkim) mózgu. Ponadto to badanie nie porównywało bezpośrednio zwykłych i chorych myszy – i możliwe jest, że HD może zmienić zdolność PROTAC do wchodzenia w tkankę mózgową. Większe badania byłyby również potrzebne, żeby lepiej zrozumieć, jak PROTAC 2′ wpływa na inne procesy dotknięte przez HD, takie jak produkcja energii.

Niemniej jednak rozbijanie toksycznych skupisk białkowych to strategia, która jest badana w wielu chorobach mózgu i ekscytujące jest to, że może mieć pozytywne skutki u myszy HD. Autorzy zauważają, że podejścia do czyszczenia oparte na białkach mogą usunąć część toksycznego sprawcy z mniejszym potencjałem długoterminowej szkody niż strategie takie jak terapia genowa.

Podsumowanie

• PROTAC 2′ selektywnie kieruje skupiska rozszerzonej HTT do komórkowego kosza na śmieci, oszczędzając zwykłą HTT
• Działa poprzez rekrutowanie mechanizmu czyszczenia śmieci do toksycznych skupisk białkowych
• W komórkach to leczenie obniżyło nierozpuszczalne skupiska rozszerzonej HTT i zmniejszyło stres
• U myszy modelujących HD PROTAC 2′ zmniejszył problemy z ruchem i inne cechy choroby oraz zwiększył długość życia