Allosteric Targeting of the KEAP1 BTB Homodimerisation Interface: Structure-Based Virtual Screening Identifies Indazole and Benzimidazole Scaffolds

In jeder Zelle sorgt ein empfindliches Gleichgewicht dafür, dass der Körper vor der ständigen Abnutzung des täglichen Lebens geschützt bleibt. Dieses Gleichgewicht wird von einem zentralen Regulatorprotein namens NRF2 gesteuert, das wie ein Schalter fungiert, der die Gene aktiviert, die Schäden reparieren und gegen toxischen Stress kämpfen. Dieser Schalter wird jedoch normalerweise von einem Wächterprotein namens KEAP1 in der „Aus“-Position gehalten. Unter normalen Bedingungen packt KEAP1 NRF2 und markiert es für die Zerstörung, um sicherzustellen, dass die Zelle nicht auf geringfügige Reizungen überreagiert. Wenn Zellen mit ernsthaften Bedrohungen konfrontiert sind, wie etwa der Ansammlung toxischer Fette oder dem Vorhandensein bestimmter Krebsmutationen, kann dieses System versagen. In einigen aggressiven Krebsarten ist der Wächter entweder defekt oder wird umgangen, wodurch die Krebszellen geschützt und resistent gegen Behandlungen bleiben. Wissenschaftler haben lange versucht, dies zu beheben, indem sie Medikamente entwickelten, die entweder den Greifmechanismus blockieren oder die Sensoren des Wächters chemisch blockieren, aber diese Ansätze haben Grenzen und können von der Krebszelle umgangen werden.

Eine neue Studie des unabhängigen Forschers Cumhur Gokhan Ekmekci untersucht einen anderen, weitgehend unerschlossenen Weg, um dieses System zu kontrollieren. Anstatt zu versuchen, KEAP1 daran zu hindern, NRF2 zu greifen, fragte der Forscher, ob es möglich sei, zwei KEAP1-Proteine daran zu hindern, sich gegenseitig die Hände zu halten. KEAP1 arbeitet als Paar; zwei Moleküle müssen zusammenkommen, um eine funktionale Einheit zu bilden, die in der Lage ist, NRF2 zu zerstören. Dieses Zusammenkommen geschieht an einer spezifischen Grenzfläche, einer flachen Oberfläche, an der die beiden Proteine einander berühren. Die Studie legt nahe, dass, wenn ein Medikament sich in diese Begegnungsstelle schieben könnte, es die Bildung des Paares verhindern würde, was den Wächter effektiv deaktiviert, ohne mit den natürlichen Proteinen konkurrieren zu müssen, die normalerweise an ihn binden. Mithunter einem leistungsstarken Computersimulationsverfahren testete der Forscher Dutzende von chemischen Strukturen, um zu sehen, welche in diese spezifische Lücke passen könnten, auf der Suche nach einem neuen Weg, die natürlichen Abwehrkräfte der Zelle zu reaktivieren.

Die Untersuchung begann mit dem Aufbau eines digitalen Modells des KEAP1-Proteinpaars unter Verwendung einer bekannten Struktur aus einer Datenbank als Bauplan. Der Forscher konzentrierte sich auf die spezifische Oberfläche, an der sich die beiden Proteine verbinden – eine Region, die von Arzneimittelentwicklern bis jetzt weitgehend ignoriert wurde. Um sicherzustellen, dass die Suche gründlich war, wurde der Computer so programmiert, dass er einundsechzig verschiedene chemische Verbindungen gegen diese Grenzfläche testet. Diese Verbindungen wurden aus einer vielfältigen Mischung ausgewählt, darunter bekannte Medikamente, die möglicherweise umfunktioniert werden könnten, kleine Fragmente von Molekülen und neue chemische Designs, die auf spezifischen ringförmigen Strukturen namens Indazole und Benzimidazole basieren. Der Computer simulierte, wie jede Verbindung in der Lücke sitzen würde, und berechnete, wie fest sie binden würde und ob sie diesen Verbindungsort gegenüber anderen bekannten Stellen am Protein bevorzugen würde.

Die Ergebnisse dieses virtuellen Screenings zeigten eine vielversprechende neue Richtung auf. Unter den vielen getesteten Verbindungen erwies sich eine spezifische Familie von Molekülen, die auf einem Indazol-Kern basieren, als die stärksten Kandidaten. Zwei dieser Verbindungen, benannt als BTBn_Ind_001 und BTBn_Ind_002, zeigten die höchste vorhergesagte Fähigkeit, an die Grenzfläche des Proteinpaars zu binden. Die Simulation deutete darauf hin, dass sie mit einer Bindungsstärke vergleichbar mit den besten existierenden Medikamenten wären, die andere Teile des Proteins angreifen, jedoch mit einem entscheidenden Unterschied: Sie wurden entwickelt, um die Partnerschaft zwischen den beiden KEAP1-Molekülen zu stören, anstatt die Greifstelle zu blockieren. Diese Top-Kandidaten wurden auch auf Sicherheit und arzneistoffähnliche Eigenschaften geprüft, und sie bestanden die ersten Tests, was zeigt, dass sie klein genug und stabil genug sind, um potenziell zu Arzneimitteln zu werden.

Interessanterweise fand die Studie auch, dass zwei Verbindungen, die ursprünglich für einen anderen Zweck entwickelt worden waren, ebenfalls gut in diese Grenzfläche passten. Eine davon war JKE-1674, das entwickelt wurde, um einen Prozess namens Ferroptose zu stoppen, eine Art des Zelltods, die durch Eisen- und Fettoxidation getrieben wird. Die andere, PipAryl_005, wurde entwickelt, um ein Transporterprotein zu blockieren, das am Krebsstoffwechsel beteiligt ist. Die Tatsache, dass diese nicht verwandten Medikamente ebenfalls die KEAP1-Verbindungsstelle beanspruchten, deutet darauf hin, dass eine einzige chemische Struktur in der Lage sein könnte, mehrere Ziele im Verteidigungsnetzwerk der Zelle zu treffen. Diese duale Wirkung könnte besonders nützlich bei der Behandlung von Krebsarten sein, die gegen Standardtherapien resistent geworden sind, da sie das Problem aus zwei Blickwinkeln gleichzeitig angreift.

Trotz dieser vielversprechenden Computerergebnisse weist der Forscher vorsichtig darauf hin, dass diese Erkenntnisse derzeit nur Vorhersagen sind. Die Studie stützte sich ausschließlich auf digitale Modelle und Simulationen, die zwar leistungsstarke Werkzeuge sind, um Möglichkeiten einzugrenzen, aber nicht beweisen können, dass ein Medikament in einem lebenden System funktionieren wird. Die Computermodelle zeigten, dass die Grenzfläche ein praktikabler Angriffspunkt ist und dass spezifische chemische Formen gut hineinpassen, aber die tatsächliche Bindungsstärke und die biologischen Wirkungen wurden noch nicht im Labor gemessen. Der Forscher schlägt vor, dass die nächsten Schritte physische Experimente beinhalten müssen, wie etwa den Test, ob diese Verbindungen tatsächlich die Verbindung der Proteine in einem Reagenzglas verhindern können und ob sie in lebenden Zellen die schützenden Gene aktivieren können.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die KEAP1-Verbindungsstelle ein reales, zugängliches Ziel für neue Medikamente ist und eine frische Strategie bietet, um die antioxidativen Abwehrkräfte der Zelle zu kontrollieren. Die in dieser Arbeit identifizierten Indazol-basierten Moleküle stellen die ersten computergestützten Kandidaten für diesen spezifischen Ort dar und bieten einen neuen Ausgangspunkt für Wissenschaftler, um bessere Medikamente zu entwickeln. Während der Weg von einer Computersimulation zu einem echten Medikament lang und ungewiss ist, öffnet diese Arbeit eine Tür zu einem Mechanismus, der jahrelang übersehen wurde. Indem man sich darauf konzentriert, wie die Wächterproteine miteinander verbunden sind, anstatt nur darauf, wie sie ihre Ziele greifen, haben Forscher möglicherweise einen Weg gefunden, die Krebszellen zu überlisten, die gelernt haben, aktuelle Behandlungen zu umgehen. Der Weg von diesen digitalen Scores zu einem funktionierenden Medikament wird strenge Tests erfordern, aber das Potenzial, eine neue Klasse von Therapien zu erschließen, macht die Bemühungen lohnenswert.