Virtual Screening of the p62/SQSTM1–KEAP1 Interaction Interface in KRAS-Mutant Colorectal Cancer: Pan-Kelch Binding and a p62-Selective Aminobenzothiazole Scaffold

In den Zellen unseres Körpers bestimmt ein empfindliches Gleichgewicht, ob eine Zelle einem toxischen Angriff standhält oder ihm erliegt. Einer der Hauptakteure in diesem Drama ist ein Protein namens NRF2, das als Hauptschalter für die Abwehrsysteme der Zelle fungiert. Unter normalen Bedingungen hält ein anderes Protein namens KEAP1 NRF2 in Schach und markiert es für den Abbau, damit die Zelle nicht überreagiert. In bestimmten aggressiven Formen von Darmkrebs kapert jedoch ein anderes Protein namens p62 dieses System. Es greift sich KEAP1 und zieht es weg, wodurch NRF2 frei wird, um ungebremst zu agieren. Dieser außer Kontrolle geratene Abwehrmechanismus hilft den Krebszellen, einer spezifischen Art des Zelltods zu widerstehen, die als Ferroptose bekannt ist – ein Prozess, bei dem Zellen zerstört werden, indem sie von innen heraus „rosten“. Wenn Krebszellen gegen Ferroptose resistent werden, sind sie mit bestehenden Behandlungen viel schwerer zu bekämpfen.

Wissenschaftler vermuteten schon lange, dass sie die natürliche Fähigkeit der Zelle, unter Angriff zu sterben, wiederherstellen könnten, wenn sie ein kleines Molekül – eine drogenähnliche Chemikalie – finden würden, das verhindert, dass p62 KEAP1 greift. Die Herausforderung liegt in der Architektur der beteiligten Proteine. Sowohl p62 als auch NRF2 binden an denselben allgemeinen Bereich auf KEAP1, eine flache, radförmige Oberfläche. Es ist, als versuche man, einen Schlüssel zu finden, der in ein bestimmtes Schloss an einer Tür passt, nur um festzustellen, dass das Schloss dem daneben liegenden so ähnlich ist, dass jeder Schlüssel, der das eine öffnet, wahrscheinlich auch das andere öffnet. Wenn ein Medikament den falschen Ort blockiert, könnte es die normalen Abwehrkräfte der Zelle stören, anstatt ihnen zu helfen. Die Frage, vor der die Forscher standen, war, ob es möglich ist, ein Molekül zu entwerfen, das gezielt nur die p62-Bindungsstelle angreift, ohne die NRF2-Stelle zu stören, oder ob die beiden Stellen einfach zu ähnlich sind, um sie voneinander unterscheiden zu können.

Ein unabhängig arbeitender Forscher setzte sich zum Ziel, diese Frage zu beantworten, indem er eine massive digitale Simulation durchführte. Anstatt Chemikalien im Labor zu testen, nutzte er einen Computer, um zu modellieren, wie dreiunddreißig verschiedene Verbindungen mit dem KEAP1-Protein interagieren würden. Das Team konzentrierte sich auf die spezifische Region, an der p62 ansetzt, bekannt als KIR-Stelle, und verglich, wie gut jede Verbindung dort passte im Vergleich dazu, wie gut sie an die benachbarte NRF2-Stelle passte. Sie untersuchten eine vielfältige Sammlung von Molekülen, die von kleinen Fragmenten zur Untersuchung der Oberfläche bis hin zu komplexeren Strukturen reichten, die von bekannten Medikamenten inspiriert waren. Das Ziel war es zu sehen, ob irgendeine einzelne Verbindung fest an die p62-Stelle binden könnte, während sie die NRF2-Stelle ignoriert, um effektiv als selektiver Blocker zu wirken.

Die Ergebnisse dieses digitalen Screenings offenbarten eine überraschende Realität, jedoch mit einer großen Einschränkung. Für die überwiegende Mehrheit der getesteten Verbindungen konnte der Computer nicht zwischen den beiden Stellen unterscheiden. Wenn ein Molekül gut in die p62-Tasche passte, passte es fast immer ebenso gut in die NRF2-Tasche. Von den achtunddreißig Verbindungen zeigten vierunddreißig nahezu identische Bindungsstärken für beide Standorte. Die Forscher warnten jedoch ausdrücklich davor, dass dieses Ergebnis ein Artefakt der Simulationsmethode selbst sein könnte. Die Computermodelle verwendeten zwei unterschiedlich große „Suchboxen“, die sich signifikant überschnitten, was die Software dazu zwingen kann, für beide Stellen ähnliche Werte zu melden, unabhängig davon, ob das Medikament tatsächlich eine Präferenz für einen der beiden Standorte hat. Aufgrund dieses methodischen Fehlers ist die Schlussfolgerung, dass ein „Pan-Kelch“-Inhibitor (ein Medikament, das beide Stellen blockiert) die beste Strategie ist, derzeit vorläufig und unbewiesen. Die Forscher erklärten deutlich, dass dies die wahrscheinlichste Interpretation basierend auf den Daten sei, aber erst durch das erneute Durchführen der Simulation mit perfekt abgestimmten Suchboxen als Fakt behandelt werden kann.

Dennoch identifizierte die Studie einen herausragenden Kandidaten, der aus dem Muster ausbrach. Eine Verbindung namens Arg_Anchor_004, die eine spezifische chemische Struktur namens Aminobenzothiazol aufweist, zeigte eine moderate Präferenz für die p62-Stelle gegenüber der NRF2-Stelle. Sie band stärker an das Ziel, das die Forscher blockieren wollten. Dieses Molekül bestand die Standardprüfungen für Arzneimittelsicherheit und -qualität, was es zu einem vielversprechenden Ausgangspunkt für die zukünftige Entwicklung macht. Die Forscher merkten an, dass der Unterschied in der Bindungsstärke gering war und weitere Tests erforderte, um dies zu bestätigen, aber der strukturelle Grund für diese Präferenz war klar: Das Molekül ging eine spezifische Verbindung mit einem Teil des Proteins ein, der nur im p62-Bindungsbereich existiert. Dieser Befund bietet eine konkrete Spur für Chemiker, die versuchen könnten, bessere Versionen dieses Moleküls in der Zukunft zu entwickeln.

Die Studie hob auch eine weitere Verbindung hervor, JKE-1674, die offenbar mit mehreren Zielen interagiert, die am Zelltod beteiligt sind, einschließlich des KEAP1-Proteins und anderer Enzyme, die den zellulären Stress steuern. Während die Computersimulationen nahelegten, dass dieses Molekül mehrere Stellen treffen könnte, waren die Forscher vorsichtig, dies eher als Hypothese denn als bewiesene Tatsache darzustellen. Sie betonten, dass dies digitale Vorhersagen seien, die in einem „Wet Lab“ verifiziert werden müssten. Die Arbeit dient als Karte der chemischen Landschaft und zeigt, dass es zwar schwierig ist, ein perfekt selektives Medikament für diese spezifische Proteininteraktion zu finden, es aber lebensfähige Wege nach vorne gibt. Die unmittelbarste Erkenntnis ist, dass die beiden Bindungsstellen in dieser spezifischen Simulation nahezu ununterscheidbar scheinen, aber diese Schlussfolgerung hängt stark vom unvollkommenen Aufbau des Computermodells ab. Bis die Simulation korrigiert ist, bleibt die Idee eines Medikaments, das beide Stellen blockiert, eine Hypothese, während die einzelne Verbindung mit einer leichten Präferenz eine neue Richtung für diejenigen bietet, die nach einer gezielteren Lösung suchen.