En seulement deux expériences neutroniques, les scientifiques ont découvert des détails remarquables sur la fonction d’une enzyme qui peut faciliter la conception de médicaments contre les cancers agressifs.
Les scientifiques, travaillant au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, ont utilisé des neutrons à la source de neutrons de spallation et au réacteur isotopique à haut flux pour identifier la chimie exacte à l'échelle atomique de la sérine hydroxyméthyltransférase, ou SHMT, une enzyme métabolique nécessaire à la division cellulaire.
Le cancer détourne les réactions chimiques de la voie métabolique qui impliquent la SHMT et d’autres enzymes critiques et transforme l’ensemble du processus en un train incontrôlable, reproduisant rapidement les cellules cancéreuses. Concevoir un inhibiteur pour bloquer la fonction de l'enzyme, qui intervient tôt dans la voie métabolique, pourrait faire dérailler les tentatives du cancer de la dépasser. La Royal Society of Chemistry a publié les résultats de l'équipe dans CScience chimique.
« Je pense que les neutrons seront très recherchés dans la conception future de médicaments basés sur la structure », a déclaré Victoria Drago de l'ORNL, auteur principal et biochimiste travaillant en collaboration avec Andrey Kovalevsky, un scientifique distingué en R&D à l'ORNL, qui utilise la diffraction des neutrons pour éclairer les protéines. structures. « Cet article est un bon exemple de la rapidité avec laquelle les neutrons peuvent produire des informations qui font l'objet de débats depuis très longtemps. Les études sur la fonction SHMT et son mécanisme catalytique remontent au début des années 1980. »
Le mécanisme catalytique exact et les rôles de divers résidus d'acides aminés dans le site actif de l'enzyme font l'objet de débats depuis des décennies. Dans la présente étude, les chercheurs ont observé qu’un seul résidu d’acide aminé, un glutamate, régule les réactions chimiques de cette enzyme.
Les données neutroniques montrent clairement que le glutamate, qui est un acide, contient le proton. On pourrait s’attendre à ce qu’il ait déjà abandonné son proton. Mais comme il est capable de transporter ce proton, il peut le transférer d'un côté à l'autre. Il agit donc comme un acide et une base. »
Robert Phillips, co-auteur, professeur de chimie, Université de Géorgie
Dans une voie connue sous le nom de métabolisme à un carbone, cette enzyme agit à l'intérieur des mitochondries, ou producteurs d'énergie, d'une cellule. Il convertit l'acide aminé sérine en un autre acide aminé appelé glycine en transférant un atome de carbone en tétrahydrofolate, une forme réduite d'acide folique. Cette réaction produit des éléments constitutifs de la synthèse d’acides nucléiques, tels que l’ADN et l’ARN, ainsi que d’autres molécules biologiques essentielles à la division cellulaire. Le glutamate contrôle ce processus.
Dans une expérience antérieure, l’équipe a combiné deux techniques, la cristallographie des neutrons et des rayons X à température ambiante physiologiquement pertinente, pour comprendre la SHMT et cartographier sa structure protéique avant son interaction avec le tétrahydrofolate. Dans l’expérience actuelle, les chercheurs ont capturé l’enzyme à l’étape suivante, établissant ainsi une certitude quant au fonctionnement réel du mécanisme de réaction de l’enzyme.
Peindre le tableau avec des neutrons
Les neutrons voient les éléments légers, comme l'hydrogène, et les rayons X voient les éléments plus lourds, comme le carbone, l'azote et l'oxygène. La diffraction des neutrons au SNS et au HFIR, la diffraction des rayons X en interne à l'ORNL et la diffraction des rayons X synchrotron à la source de photons avancée du Laboratoire national d'Argonne ont fourni les informations dont l'équipe avait besoin pour caractériser définitivement la réaction chimique de l'enzyme.
« Les neutrons nous permettent de voir les atomes d'hydrogène, et l'hydrogène est le moteur de la chimie », a déclaré Drago. « Les enzymes sont constituées à environ 50 % d'atomes d'hydrogène. En termes d'électrostatique, l'hydrogène porte également une charge positive, qui dicte l'environnement de l'enzyme. Une fois que vous avez un cristal qui diffracte les neutrons, vous avez tout ce dont vous avez besoin. Vous voyez les positions où se trouvent les hydrogènes et, tout aussi importantes, les positions dépourvues d’hydrogène. Vous obtenez une vue d’ensemble.
Comme le montre l'animation, les mitochondries des cellules cancéreuses surproduisent l'enzyme SHMT, un tétramère construit à partir de quatre chaînes peptidiques identiques, ou protomères, représentées en gris. SHMT fonctionne en utilisant du pyridoxal-5′-phosphate, lié de manière covalente au SHMT, et au tétrahydrofolate, représentés respectivement en or et en violet. Le tétrahydrofolate agit comme un substrat qui se lie aux sites actifs des quatre protomères. Les atomes d'hydrogène, clignotants en vert, ont révélé le mécanisme catalytique exact et les rôles de divers résidus d'acides aminés dans les sites actifs de l'enzyme. Une fois que l’enzyme libère du tétrahydrofolate, un inhibiteur, représenté en bleu, pourrait être conçu pour bloquer d’autres réactions chimiques sur ces sites, arrêtant ainsi la voie métabolique à un seul carbone dans les cellules cancéreuses.
« L'emplacement des atomes d'hydrogène détermine les états de protonation de groupes chimiques spécifiques à l'intérieur des sites actifs de l'enzyme », a déclaré Kovalevsky. « Ainsi, ils fournissent des informations sur la distribution de la charge électrique, ou électrostatique. Cette connaissance est cruciale pour concevoir des inhibiteurs de petites molécules qui se lieraient au SHMT, remplaçant le tétrahydrofolate et arrêtant la fonction de l'enzyme. »
Les cellules contiennent des milliers d'enzymes fonctionnant comme des catalyseurs qui accélèrent les réactions biochimiques nécessaires aux fonctions corporelles – ; de la respiration à la production d'hormones en passant par la fonction nerveuse. Les enzymes permettent également de stocker des produits chimiques qui ciblent des processus spécifiques. D’autres enzymes de la voie métabolique à un seul carbone sont déjà des cibles bien connues pour les médicaments anticancéreux tels que le méthotrexate et le fluorouracile. Cependant, la SHMT intervient plus tôt dans cette voie, offrant ainsi la possibilité d’arrêter le cancer plus tôt.
Mais les difficultés du traitement du cancer sont liées en partie à ses attaques furtives contre les processus métaboliques. Contrairement à la résistance aux médicaments dans les maladies infectieuses, si une voie ne fonctionne pas bien, le cancer recalibre d’autres processus métaboliques pour produire une surproduction de cellules cancéreuses.
« Maintenant que nous connaissons les détails atomiques de la SHMT, nous pouvons éclairer la conception d'un inhibiteur ciblant cette protéine spécifique dans le cadre d'une thérapie combinée », a déclaré Kovalevsky. « Si vous comparez cela au traitement des maladies infectieuses, c'est beaucoup plus difficile car dans la chimiothérapie anticancéreuse, vous ciblez généralement vos propres protéines, c'est pourquoi les patients ressentent des effets secondaires. Dans les maladies infectieuses, les protéines que vous ciblez appartiennent aux virus ou aux bactéries. . Mais avec le cancer, vous devez tuer vos propres cellules. L’idée ici est de tuer le cancer plus tôt et d’avoir moins d’effet sur le patient. »
Accélérer le rythme de la découverte
L’équipe a utilisé des neutrons de l’instrument MaNDi du SNS et de l’instrument IMAGINE du HFIR pour ses recherches. Le récent projet Proton Power Upgrade de l'ORNL a ajouté des faisceaux plus puissants pour tous les instruments du SNS. Des faisceaux de protons plus puissants signifient plus de neutrons. Plus de neutrons signifie des temps de collecte de données plus courts avec des échantillons plus petits, accélérant ainsi les réponses qui aident les scientifiques à concevoir des médicaments plus intelligents pour traiter les maladies.
« La recherche exploratoire est absolument essentielle », a déclaré William Nelson, directeur du Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center de Johns Hopkins. « Nous nous rapprochons de plus en plus de l'espace où, avec l'aide de l'IA, nous serons capables de séquencer un gène dans le cancer d'une personne, de prédire à quoi ressemblerait la structure de la protéine et de fabriquer un médicament à intégrer ; il fonctionnera très bien. , et nous le ferons dans une heure et demie. Mais nous n’y sommes pas encore. Donc, plus nous en saurons sur la structure réelle des protéines, la structure chimique et la façon dont les choses interagissent, mieux nous serons. capable d'entraîner des modèles d'IA pour prédire des choses que nous ne connaissons pas tout de suite.
Nelson n’était l’auteur d’aucune des deux études dirigées par l’ORNL. En tant que directeur du Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center et professeur à la Johns Hopkins School of Medicine, il enseigne l'urologie, la médecine, la pathologie, la radio-oncologie et les sciences des radiations moléculaires.
SNS et HFIR sont des installations utilisateur du DOE Office of Science à l'ORNL.
