Det australiska stickande trädet (Dendrocnide moroides) är en växt som många undviker till varje pris. Trädet, som tillhör familjen nässlor, är täckt av tunna kiselnålar spetsade med ett av naturens mest olidliga gifter, en förening som kallas moroidin. "Det är ökänt för att orsaka extrem smärta, som dröjer sig kvar under mycket lång tid", säger Whitehead Institute-medlem Jing-Ke Weng.

Det finns dock en annan sida av moroidin; förutom att orsaka smärta, binder substansen till cellernas cytoskelett, vilket förhindrar att de delar sig, vilket gör moroidin till en lovande kandidat för kemoterapiläkemedel.

Att skörda tillräckligt med kemikalien för att studera har visat sig svårt, av uppenbara skäl. Nu, i en artikel publicerad 19 april i Journal of the American Chemical Society , Weng, som också är docent i biologi vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) och tidigare postdoc Roland Kersten, nu biträdande professor vid University of Michigan College of Pharmacy, presenterar den första publicerade metoden för att biosyntetisera moroidin i vävnaderna av ofarliga växter som tobak, vilket underlättar forskning om substansens användbarhet för cancerbehandlingar.

Ta ett blad ur växternas bok för att skapa peptider

Moroidin är en bicyklisk peptid - en typ av molekyl som består av byggstenar som kallas aminosyror och är cirkulära för att innehålla två sammankopplade ringar. För syntetiska kemister har moroidin visat sig nästan omöjligt att syntetisera på grund av dess komplexa kemiska struktur. Weng och Kersten ville gräva djupare i vilka metoder växterna använde för att skapa denna molekyl.

I växtceller är cykliska peptider gjorda av specifika prekursorproteiner som syntetiseras av ribosomen, den makromolekylära maskinen som producerar proteiner genom att översätta budbärar-RNA. Efter att ha lämnat ribosomen bearbetas dessa prekursorproteiner ytterligare av andra enzymer i cellen för att ge upphov till de slutliga cykliska peptiderna. Under 2018 hade Weng och Kersten klarlagt den biosyntetiska mekanismen för en annan typ av växtpeptider som kallas lyciuminer, som först hittades i gojibärsväxten, vilket gav dem en inblick i hur posttranslationella modifieringar kan spela en roll för att skapa olika typer av växtpeptider kemi. "Vi lärde oss mycket om de viktigaste delarna av det här systemet genom att studera lyciuminer," sa Weng.

När de började undersöka hur moroidin syntetiserades, fann forskarna att några andra växter, såsom Kerria japonica och Celosia argentea, också producerar peptider med liknande kemi som moroidin. "Det gav oss verkligen den mycket kritiska insikten att detta är en ny klass av peptider," sa Weng.

Weng och Kersten har tidigare lärt sig att BURP-domänen, som är en del av prekursorproteinerna för lyciuminer och flera andra växtcykliska peptider, katalyserar nyckelreaktioner involverade i peptidringbildningen. De fann att BURP-domänen fanns i prekursorproteinerna för moroidiner i Kerria japonica, och verkade vara avgörande för att skapa molekylernas tvåringstruktur. BURP-domänen skapar ringkemi i närvaro av koppar, och när forskarna inkuberade moroidinprekursorproteinet med kopparklorid i labbet tillsammans med andra nedströms proteolytiska enzymer, kunde de skapa moroidinliknande peptider.

Med denna information kunde de producera en mängd olika moroidinanaloger i tobaksplantor genom att transgent uttrycka moroidinprekursorgenen från Kerria japonica och variera kärnmotivsekvensen som motsvarar moroidinpeptider. "Vi visar att du kan producera samma moroidinkemi i en annan värdväxt," sa Weng. "Tobak i sig är lättare att odla i stor skala, och vi tror också att vi i framtiden kan härleda en växtcellinje från de befintliga tobakscellinjerna som vi lägger i moroidinprekursorpeptiden, sedan kan vi använda cellinjen för att producera molekylen, vilket verkligen gör det möjligt för oss att skala upp för medicinproduktion."

Framtida användning av moroidin

Moroidins anti-cancer egenskap beror, åtminstone delvis, på föreningens unika struktur som gör att den kan binda till ett protein som kallas tubulin. Tubulin bildar ett skelettsystem för levande celler och tillhandahåller det sätt på vilket celler separerar sina kromosomer när de förbereder sig för att dela sig. För närvarande fungerar två befintliga läkemedel mot cancer, vinkristin och paklitaxel, genom att binda tubulin. Dessa två föreningar härrör också från växter (Madagaskarsnäckan respektive idegranen).

I sitt nya arbete syntetiserade Weng och Kersten en moroidinanalog som heter celogentin C. De testade dess anti-canceraktivitet mot en mänsklig lungcancercellinje och fann att föreningen var giftig för cancercellerna. Deras nya studie föreslår också potentiellt nya anti-cancermekanismer specifika för denna lungcancercellinje förutom tubulinhämning.

Tidigare har forskare stött på problem när de försöker skapa effektiva läkemedel från peptider. "Det finns två stora utmaningar för peptider som medicin," sa Weng. "För det ena är de inte särskilt stabila in vivo, och för det andra är de inte särskilt biotillgängliga och passerar inte lätt membranet i en cell."

Men cykliska peptider som moroidin och dess analoger är lite annorlunda. "Dessa peptider utvecklas i huvudsak till att vara läkemedelsliknande," sa Weng. "När det gäller det australiska stickande trädet är peptiderna närvarande eftersom växterna vill avskräcka alla djur som vill äta bladen. Så under miljontals år av evolution kom dessa växter så småningom på ett sätt att konstruera dessa specifika cykliska peptider som är stabila, biotillgängliga och kan ta sig till djuret som försöker äta växterna."

Det är troligt att den smärtsamma reaktion som uppstår när moroidin kommer in i kroppen genom ett stick från trädet inte skulle vara ett problem i traditionella metoder för att administrera kemoterapi. "Smärtan orsakas verkligen om du får injektioner av föreningen i huden," sa Weng. "Om du tar det oralt eller intravenöst kommer din kropp sannolikt inte att känna av smärtan."

Något kontraintuitivt kan föreningen också användas som smärtstillande medel. "Om något orsakar smärta kan du ibland använda det som ett läkemedel mot smärta," sa Weng. "Du kan i princip trötta ut smärtreceptorerna, eller om du ändrar strukturen lite kan du förvandla en agonist till en antagonist och potentiellt blockera smärtan."

På en mer grundläggande nivå kan moroidin hjälpa forskare att studera smärtreceptorer. "Vi vet inte exakt varför att bli stucken av det stickande trädet producerar den enorma mängden smärta, och det kan finnas ytterligare smärtreceptorer som folk inte har identifierat," sa Weng. "Att kunna syntetisera moroidin ger en kemisk sond som gör att vi kan studera denna okända smärtuppfattning hos människor."

I framtiden hoppas forskarna kunna skapa analoger av moroidin att studera, och förhoppningsvis skapa en optimal version för användning i cancerterapi. "Vi vill skapa ett bibliotek av moroidinliknande peptider," sa Weng. "Vi har gjort detta för lyciuminer, och eftersom de initiala moroidinerna är anti-tubulinmolekyler, kan vi använda detta system för att hitta en förbättrad version som binder till tubulin ännu tätare och innehåller andra farmakologiska egenskaper som gör det lämpligt att användas som ett terapeutiskt medel. . + Utforska vidare

Screening för makrocykliska peptider