Forskare använder syntetiserade verktyg för små molekyler, kända som kemiska sonder, med läkemedelsliknande egenskaper för att identifiera specifika typer av proteiner för att hitta potentiella nya läkemedelsledningar. Dock, för närvarande tillgänglig teknik har inte tillgång till terapeutiska mål som har metaller, metaboliter, eller modifieringar efter översättning.

Nu, en studie från labbet av Megan Matthews och kollegor föreslår nya sätt att manipulera denna klass av sjukdomsmål som hittills har förblivit "odugliga". Resultaten publicerades i ACS Central Science och finns på publikationens septemberomslag.

Forskare i Matthews lab är kemiska biologer som är multidisciplinära och samarbetsvilliga. De har expertis inom syntetisk kemi, enzymologi, cellbiologi, och masspektrometribaserad kemisk proteomik, som vanligtvis används för att karakterisera interaktioner mellan små molekyler och proteiner och deras effekter på proteinfunktionen. Med denna metod, forskarna kan globalt profilera och upptäcka proteiner som reagerar med specifika prober, förstå vad dessa proteiner gör, och hämma proteinets aktiviteter genom nya mekanismer.

I den här studien, forskarna fokuserade på att kartlägga den kemiska reaktiviteten hos en organohydrazin, –NHNH ₂ , sond som efterliknar ett av de första FDA-godkända antidepressiva medlen, känd som fenelzin, med en metod som kallas aktivitetsbaserad proteinprofilering (ABPP). Klassiska ABPP-sonder riktar sig mot en enda typ av aminosyra som är nukleofil, eller elektronrik, medan hydrazinsonder är utformade för att fånga enzymkofaktorer och post-translationella modifieringar som är elektrofila, eller elektronfattig.

"Hydraziner fångar alla typer av riktigt spännande mål med riktigt intressant kemi, så vi använder det som en startpunkt för upptäckt av enzymhämmare, säger Matthews, huvudforskaren av denna studie. "Vi ville fråga vad är det som denna farmakofor kan göra proteomövergripande, och på grund av masspektrometri kan vi göra detta. "

Efter att ha distribuerat sin sond i två mänskliga cellinjer, de visade att proberna reagerar med mål från flera enzymklasser som använder en mängd olika kofaktorer; kofaktorer är olika typer av kemiska maskiner som hjälper ett protein att utföra sin funktion. Sedan, genom att kartlägga platserna för sondmärkning på proteinerna, forskarna visade två reaktivitetssätt, kallas direkt polär attack och oxidativ aktivering/fragmentering, som förlitar sig på hydrazins mångsidiga egenskaper och dess förmåga att fånga upp olika typer av elektronbrist.

En av de största tekniska utmaningarna, säger postdoc och första författare Zongtao "Tom" Lin, identifierade var och hur sonden reagerade med proteinerna eftersom det inte är något som var lätt förutsägbart. "Vår lösning var att använda isotopiska hydrazinsonder, ersätta naturliga mängder av kväveatomer ¹⁴ N, med sin "tunga" motsvarighet ¹⁵ N. Detta gjorde det möjligt för oss att se om hydrazingruppen gick förlorad efter att ha reagerat med proteinet eller inte, " säger Lin. "Efter det, vi förlitade oss på ett beräkningsarbetsflöde för att matcha peptidfragmenteringsmönstren och begränsa platserna för sondmärkning. Denna kombination av isotopiska hydrazinsonder och beräkningssökningar gjorde att vi kunde uppnå vårt mål. "

Teamet fann att, även om hydraziner är i stort sett reaktiva, de förblir aktiv-site-riktade och blockeras av andra molekyler som upptar ett proteins aktiva plats. "Eftersom de är inriktade på funktionell kemi, de kan avläsa funktionstillståndet för många olika enzymklasser. Det är ganska häpnadsväckande eftersom det närmar sig den heliga gralen med en sond för att kunna profilera vilken proteinfunktion som helst som har elektronbrist, " säger Matthews. "Så nu, i princip, vi kan utveckla selektiva molekyler för mål som finns i denna okända halva av proteomen som nu är "läkemedelsbar", "och det är verkligen kraftfullt och expansivt."

Nästa, forskarna kommer att utveckla och ställa in dessa hydraziner för att undersöka om diversifierade nukleofiler har samma kapacitet som elektrofiler att fungera som potenta, selektiva hämmare av kofaktorberoende enzymer.

Matthews tillägger att eftersom dessa metoder är "sjukdomsagnostiska, "det finns unika möjligheter att studera aktiviteter som är avreglerade i patientprover och sjukdomsmodeller." Sammantaget vi förväntar oss att hydrazinsonder ska behålla alla funktioner som klassiska ABPP-sonder, inklusive upptäckten av inhibitorer och nya verkningsmekanismer, " säger Matthews. "I vissa fall, vi hoppas kunna upptäcka lite ny biologi, för."