Les chercheurs du Dana-Farber Cancer Institute ont développé une plateforme permettant de découvrir systématiquement des colles moléculaires qui pourraient devenir des médicaments candidats à la dégradation des protéines. La plateforme pourrait aider les développeurs de médicaments à élargir considérablement la gamme de protéines liées à des maladies qui peuvent être ciblées thérapeutiquement pour être éliminées via la dégradation des protéines.
La plateforme a également permis la découverte du premier dégradateur de colle moléculaire activé métaboliquement, ce qui suggère que les colles moléculaires pourraient être plus dépendantes du contexte et potentiellement réglables qu’on ne le pensait auparavant.
L’étude a été publiée dans Nature.
« Cette nouvelle plate-forme constitue une approche évolutive passionnante de la découverte de colles moléculaires qui pourrait contribuer à l’expansion significative des applications de colles moléculaires pour le traitement du cancer et d’autres maladies », déclare Eric Fischer, PhD, co-auteur principal et biologiste chimique de Dana-Farber.
Les dégradeurs de protéines éliminent les protéines indésirables de l’intérieur d’une cellule en les éliminant à l’aide du système de recyclage intégré à la cellule. Plus précisément, un dégradateur de colle moléculaire se lie à une ligase E3, une enzyme qui marque les protéines en vue de leur destruction, et la redirige pour marquer une protéine liée à une maladie en vue de son élimination.
En 2014, Benjamin Ebert, MD, PhD, président et chef de la direction de Dana-Farber, a découvert que le mécanisme d’action du lénalidomide, un médicament contre le myélome multiple, était un dégradateur de colle moléculaire d’un facteur de transcription. Étant donné que les facteurs de transcription ont tendance à être fluides et comportent peu de poches auxquelles les médicaments inhibiteurs peuvent se lier, on pensait qu’ils étaient « non médicamentables ». La dégradation des facteurs de transcription a ouvert une nouvelle façon de penser le traitement du cancer.
Depuis lors, plusieurs dégradateurs de protéines ont fait l’objet d’essais cliniques. Cependant, ces dégradeurs n’exploitent qu’une petite poignée des 600 ligases E3 du génome humain.
Il existe une gamme incroyable d’opportunités pour découvrir de nouveaux dégradateurs moléculaires de colle. Cette approche systématique pourrait contribuer à accélérer la découverte de nouveaux dégradants susceptibles de changer notre façon de penser le traitement du cancer. »
Benjamin Ebert, MD, PhD, président et chef de la direction, Dana-Farber Cancer Institute
Le processus systématique de la plateforme de découverte commence par un examen conçu par le co-premier auteur Hojong Yoon, PhD, qui était chercheur postdoctoral dans le laboratoire d’Ebert et qui travaille maintenant au MD Anderson Cancer Center. L’écran fixe un sous-ensemble de ligases E3 sur des billes magnétiques dans un puits et les baigne dans un lysat cellulaire (l’ensemble complet des protéines présentes dans une cellule) et une bibliothèque de composés médicamenteux.
Un succès se produit lorsqu’un des médicaments se lie à l’une des ligases E3 et augmente son affinité pour une protéine cellulaire donnée. Ce changement provoque la collecte d’instances de cette protéine à proximité. L’équipe a utilisé la spectrométrie de masse pour déterminer quelles protéines cellulaires ont une affinité pour la ligase E3 liée au médicament et seraient susceptibles d’être étiquetées pour être éliminées à l’intérieur d’une cellule.
L’équipe a testé le système en criblant sept ligases E3. Ils ont découvert qu’une protéine appelée DDX18 était attirée vers la E3 ligase DCAF11, qui est peu étudiée. Pour déterminer quel composé médicamenteux avait permis la connexion, ils ont réduit à plusieurs reprises le pool de médicaments présents dans l’écran et se sont concentrés sur une molécule appelée M12.
Étonnamment, lorsque l’équipe a tenté de valider le M12 en tant que dégradeur de colle moléculaire dans un modèle cellulaire pour dégrader le DDX18, cela n’a pas fonctionné. Pour comprendre pourquoi, la co-premier auteur Franziska Wachter, MD, scientifique Dana-Farber et oncologue pédiatrique, a utilisé la cryomicroscopie électronique pour examiner de plus près le complexe DCAF11 et M12 identifié par l’écran.
Elle a découvert que M12 avait été modifié par un processus métabolique appelé glutathionylation. Le M12 agirait uniquement comme une colle moléculaire à l’intérieur des cellules présentant des niveaux élevés de métabolites liés au stress oxydatif dans la cellule, ce qui est plus courant dans les cellules cancéreuses que dans les cellules normales.
« Ce fut une énorme surprise, et c’est la première observation d’une colle moléculaire activée métaboliquement par la glutathionylation », explique Wachter. « Notre capacité interne à faire de la biologie structurale à l’aide de la cryomicroscopie électronique était essentielle pour comprendre rapidement ce qui se passait. »
Une exploration plus approfondie du M12 activé a révélé qu’il s’agit d’un dégradeur polyvalent couplé au DCAF11. En liant des protéines supplémentaires au complexe, l’équipe a pu régler le système pour dégrader plusieurs autres protéines, y compris des cibles protéiques liées au cancer telles que SMARCA2, WEE1 et CDK7. Ces résultats constituent une preuve de principe pour l’approche de criblage, et des recherches supplémentaires sont nécessaires pour identifier le meilleur dégradateur de colle moléculaire à utiliser comme candidat-médicament.
« C’est un exemple fabuleux de la puissance de notre expertise combinée en génomique du cancer, en biologie cellulaire, en biologie structurale et en biochimie des protéines », déclare Ebert. « Cette approche systématique de la découverte de nouveaux dégradateurs de colle moléculaire ouvre la possibilité d’augmenter le nombre de protéines pouvant être ciblées pour la dégradation dans le cadre d’un traitement contre le cancer. »
