Forskare vid California Institute of Technology har utvecklat ett tillvägagångssätt för att övervinna en stor stötesten i att testa nya läkemedelsmål. Forskningen rapporteras i en nov. 24 papper i Journal of Biological Chemistry .

Proteiner inbäddade i cellmembran är potentiella mål för läkemedel för att behandla ett antal sjukdomar, från infektionssjukdomar till cancer. Membranproteiner (som inkluderar transportörer, kanaler, och receptorer) är måltavlan för nästan 70 procent av FDA-godkända läkemedel.

Dock, det är notoriskt svårt för forskare att producera membranproteiner i labbet i tillräckliga mängder för att kunna rena dem och genomföra experiment med potentiella läkemedel. Professorerna Thomas F. Miller III och William M. Clemons Jr. vid Institutionen för kemi och kemiteknik vid Caltech undrade om det fanns ett sätt att hjälpa forskare som upplever detta problem.

"Vår motivation för det här projektet föddes verkligen ur frustration över detta allmänna problem, vilket är att membranproteiner är mycket svåra att producera i skala för experimentella ändamål, " sa Clemons.

För att producera proteiner av intresse, forskare infogar vanligtvis genen som kodar för proteinet i en laboratoriearbetshästcellinje, såsom E. coli; denna process kallas heterologt överuttryck av ett protein. Men membranproteiner överuttrycks vanligtvis i endast mycket små mängder, av skäl som hittills varit dåligt förstått. Enskilda forskare spenderar ibland år på att försöka modifiera sina intressanta proteiner på ett sätt som gör dem mer effektivt uttryckta i labbet.

"Folk jagar bara runt i mörkret för att förhoppningsvis hitta något som fungerar bättre så att de kan få tillräckligt med protein för att utföra sina studier, ", sa Miller. "Nya verktyg behövs för att rationellt förbättra det, att göra det på ett mer målmedvetet sätt."

För att se om det fanns några allmänna principer som kunde vägleda försök att förbättra uttrycket av membranprotein, Clemons och Miller och deras doktorander Michiel J.M. Niesen och Stephen S. Marshall fokuserade på ett specifikt steg i processen:punkten när en cell faktiskt infogar ett nysyntetiserat protein i membranet.

Effektiviteten av införandet - det vill säga bråkdelen av tiden som ett protein sätts in i membranet korrekt - beror på proteinets aminosyrasekvens. Teamet utvecklade en beräkningssimuleringsmetod för att förutsäga hur en förändring i sekvensen skulle påverka insättningseffektiviteten.

I den nya studien, teamet testade hur detta förutspådde effektivitet relaterat till proteinuttryck i labbet. Teamet producerade systematiskt många varianter av ett visst protein och använde algoritmen för att förutsäga varje variants membraninsättningseffektivitet. Sedan kvantifierade forskarna hur mycket protein som producerades. Som de hade antagit, förbättrad insättningseffektivitet korrelerade med förbättrat proteinutbyte.

Nu kan forskare som är intresserade av att studera ett visst membranprotein använda dessa simuleringsverktyg för att förutsäga vilka förändringar de bör göra i sin proteinsekvens för att producera membranproteinet i labbet. Det finns varningar:Om ett visst protein i en viss celltyp är föremål för ineffektivitet vid andra steg i syntesen förutom membraninförande, då kanske den nya metoden inte hjälper. Men forskarna är övertygade om att metoden erbjuder en väg framåt för många membranproteinforskare som kämpar för att uttrycka sina proteiner.

"Vi tror att verktygen som vi har utvecklat här har potential att verkligen revolutionera membranproteinuttryck, " sa Clemons. "Det finns fortfarande saker vi måste göra för att fullt ut inse att, men det här dokumentet visar att potentialen finns där."

Forskarna går nu ihop med andra för att få dessa verktyg att fungera.

"Det finns många membranproteinmål som är av verklig betydelse och verkligt värde för läkemedels- och läkemedelsdesignsyften, " Miller sa "Om vi ​​kan hjälpa människor genom att få ett svårfångat mål inom räckhåll, det skulle vara en stor seger."