Strax efter att Jake Eaton gick med i labbet för Stuart Schreiber vid Broad Institute of MIT och Harvard 2015, postdoktoren blev fascinerad av några vilda teorier som diskuterades av hans kollegor. Teorierna fokuserade på en konstig liten molekyl som kallas ML210, som kan döda celler genom att aktivera en cellulär process som kallas ferroptos. Vasanthi Viswanathan, en postdoktor i Schreiber -labbet, hade upptäckt att inducering av ferroptos kan döda några läkemedelsresistenta cancerceller. Eaton, Viswanathan, och Schreiber trodde att förståelsen för hur ML210 utlöser den processen kan låsa upp hemligheter för hur man utvecklar läkemedel för behandling av cancer som är resistenta mot befintliga terapier, eller förhindra motstånd i första hand.

Eaton och hans kollegor visste att ML210 -föreningen inducerar ferroptos genom att hämma GPX4, ett protein som skyddar cellerna mot oxidativ stress. De spekulerade i att det gjorde det genom att bilda en specifik typ av kemisk länk, kallas en kovalent bindning, med proteinet. Problemet var, den kemiska strukturen för ML210 visade inga uppenbara sätt att bilda kovalenta bindningar, vilket ledde till långsökt spekulation av de skeptiska forskarna om hur det kunde binda GPX4.

"Vi undrade, 'Är det bindande GPX4 på ett annat sätt? Verkar det på andra noder i GPX4 -vägen, eller gör något helt nytt? ', "sa Eaton." Det var ett verkligt kemiskt mysterium. "

Nu, efter år av arbete, forskare vid Broad Institute, i samarbete med forskare på Bayer, har löst denna kemiska gåta. I en studie i Natur kemisk biologi , de visar att ML210 omvandlas inom cellen till en ny molekyl, som omvandlas till en tredje molekyl som sedan kovalent binder GPX4. Mekanismen som de avslöjade är extremt ovanlig och visar ett ovärderat sätt att "pro-läkemedel" som ML210 kan omvandlas till molekyler som kan binda målproteiner kovalent i celler.

I arbetet, forskarna beskriver en ny uppsättning föreningar som forskare kan använda för att lära sig mer om hur celler genomgår ferroptos, en process som upptäcktes för bara tio år sedan. Dessutom, molekylerna är utgångspunkter för att utveckla föreningar som kan hämma GPX4 och döda läkemedelsresistenta cancerceller, inte bara i en maträtt, men potentiellt också i djurmodeller och till och med patienter.

"Jag minns att jag sa, 'Jag är rädd att jag ska ta detta ML210 -mysterium till min grav', "sa medförfattaren Schreiber, som är en av grundarna av och kärninstitutmedlem vid Broad och Morris Loeb-professor vid Institutionen för kemi och kemisk biologi vid Harvard University. "Som att skala de många lagren av en lök, Jake har avslöjat, steg för steg, den fascinerande sekvensen av kemiska reaktioner som celler ger ML210, som har mycket liten företräde inom organisk kemi. Det var ett strålande jobb med molekylär sleuthing av Jake. "

Detektivarbete

Ferroptos beskrevs formellt för nästan ett decennium sedan av Brent Stockwell, en tidigare student i Schreibers laboratorium som nu är professor vid Columbia University. Vid ferroptos, lipidmolekyler i cellmembranet oxideras, vilket leder till en uppbyggnad av giftiga molekyler som kallas lipidperoxider som så småningom dödar cellen. GPX4 skyddar celler från denna typ av död genom att omvandla lipidperoxider till icke -toxiska föreningar.

Viswanathan, en transplantation från Stockwell -labbet till Schreiber -labbet, menade att en molekyl som stör GPX4 kan vara inspirationen till en ny typ av cancerläkemedel. Dock, GPX4 är ett utmanande mål, för det är platt, egenskapslös kemisk struktur har ingen självklar plats för vilken läkemedel kan binda.

År 2010, en upptäcktsinsats för små molekyler som kallas Molecular Libraries Probe Production Centers Network, delvis baserad på Broad Institute, hade avslöjat några föreningar som binder GPX4 och inducerar ferroptos - två av dessa tillhör en klass av molekyler som kallas kloroacetamider, som kovalent binder GPX4. Men dessa föreningar är inte bra kandidater för läkemedelsutveckling eller i djurstudier eftersom de är mycket reaktiva och kommer att störa många andra proteiner, vilket leder till oavsiktliga biverkningar. Det är också osannolikt att de kvarstår i kroppen tillräckligt länge för att binda och blockera GPX4.

En tredje förening från 2010 -skärmen var ML210, en "outlier -förening" som skiljer sig kemiskt från kloroacetamiderna. Eaton och Viswanathan undersökte data om ML210 från Cancer Therapeutics Response Portal, en databas utvecklad av forskare på Broad och delvis sponsrad av National Cancer Institute. Från uppgifterna, det såg ut som ML210 agerade på samma sätt som kloroacetamiderna genom att bilda en kovalent bindning med GPX4. Det som bedövade forskarna var att ML210 inte innehåller ett "kovalent stridsspets, "en viktig kemisk struktur som skulle göra det möjligt att para med GPX4 på detta sätt.

Bindande mysterium

För att undersöka hur ML210 hämmar GPX4, teamet behövde bättre metoder för att studera GPX4 i labbet. Med kollegor på Bayer, de utvecklade ett system för att överuttrycka proteinet i däggdjursceller och producerade analyser för att studera hur molekyler interagerar med det.

"En av de stora sakerna med just detta bransch-akademiska samarbete har varit att övervinna några av de problem vi har mött i denna forskning, "sade Eaton." Jag tror inte att vi skulle ha övervunnit dessa utmaningar på egen hand. "

Analyserna bekräftade att ML210 var, faktiskt, hämmar GPX4 genom kovalent bindning, och att det gjorde så mycket mer exakt än de två kloroacetamiderna.

Denna ledning fick Eaton att fortsätta kemiskt detektivarbete, som avslöjade att ML210 genomgår ett par ovanliga kemiska transformationer i cellen för att få förmågan att binda och hämma GPX4. ML210 omvandlas först till en förening som laget kallade JKE-1674. Cellen omvandlar denna förening till en annan ovanlig molekyl som kallas JKE-1777, som kan kovalent binda GPX4.

Även om JKE-1777 är instabil utanför cellen, JKE-1674 och relaterade föreningar som laget syntetiserade är stabila och selektiva för GPX4, och är mer lämpliga än ML210 för användning i djurmodeller eller kanske till och med patienter.

Oöverträffade maskiner

I ett relaterat papper i Journal of the American Chemical Society , forskarna beskriver en annan uppsättning föreningar som kallas diacylfuroxaner som också hämmar GPX4 kovalent. Även om dessa föreningar inte är lika selektiva som ML210 eller JKE-1674 och sannolikt inte är användbara terapeutiskt, den kompletterande studien hjälpte forskarna att förstå de nya observationerna som gjordes i ML210 -studien.

"Dessa föreningar är molekylära maskiner som saknar motstycke i kemisk biologis historia för de ovanliga flerskiktade kemiska egenskaperna som ligger till grund för deras specificitet, "sa medförfattaren Vasanthi Viswanathan, en postdoktor i Schreiber -labbet.

Mer arbete återstår för att avgöra vilka cellulära processer som styr omvandlingen av ML210 till dess aktiva form, och om någon av molekylerna kan användas i djurmodeller eller till och med hos människor som terapeutiska föreningar.

Om molekylerna eller varianterna av dem visar sig lovande som nya läkemedel, de kan ge upphov till en ny klass av läkemedel som en dag kan hjälpa till att bekämpa läkemedelsresistenta tumörer.