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

Dentro de cada célula, un delicado equilibrio mantiene al cuerpo seguro del desgaste constante de la vida diaria. Este equilibrio es gestionado por una proteína reguladora maestra llamada NRF2, que actúa como un interruptor, activando los genes que reparan el daño y luchan contra el estrés tóxico. Sin embargo, este interruptor suele mantenerse en la posición de "apagado" por una proteína guardiana llamada KEAP1. Bajo condiciones normales, KEAP1 agarra a NRF2 y lo marca para su destrucción, asegurando que la célula no reaccione de forma exagerada ante irritaciones menores. Cuando las células enfrentan amenazas serias, como la acumulación de grasas tóxicas o la presencia de ciertas mutaciones cancerosas, este sistema puede fallar. En algunos cánceres agresivos, el guardián está roto o es evadido, dejando a las células cancerosas protegidas y resistentes al tratamiento. Los científicos han intentado durante mucho tiempo arreglar esto diseñando fármacos que bloqueen el mecanismo de agarre o que bloqueen químicamente los sensores del guardián, pero estos enfoques tienen limitaciones y pueden ser superados por el cáncer.

Un nuevo estudio del investigador independiente Cumhur Gokhan Ekmekci explora un camino diferente y mayormente inexplorado para controlar este sistema. En lugar de intentar evitar que KEAP1 agarre a NRF2, el investigador se preguntó si sería posible evitar que dos proteínas KEAP1 se tomen de la mano. KEAP1 trabaja como un par; dos moléculas deben unirse para formar una unidad funcional capaz de destruir a NRF2. Esta unión ocurre en una interfaz específica, una superficie plana donde las dos proteínas se tocan. El estudio sugiere que si un fármaco pudiera encajarse en este lugar de encuentro, evitaría que el par se formara, desactivando efectivamente al guardián sin necesidad de competir con las proteínas naturales que normalmente se unen a él. Utilizando una poderosa simulación computacional, el investigador probó docenas de estructuras químicas para ver cuáles podrían encajar en este espacio específico, buscando una nueva forma de reactivar las defensas naturales de la célula.

La investigación comenzó construyendo un modelo digital del par de proteínas KEAP1, utilizando una estructura conocida de una base de datos como plano. El investigador se centró en la superficie específica donde las dos proteínas se conectan, una región que había sido ignorada en gran medida por los desarrolladores de fármacos hasta ahora. Para asegurar que la búsqueda fuera exhaustiva, la computadora fue programada para probar sesenta y un compuestos químicos diferentes contra esta interfaz. Estos compuestos fueron elegidos de una mezcla diversa, incluyendo fármacos conocidos que podrían ser reposicionados, fragmentos pequeños de moléculas y nuevos diseños químicos basados en estructuras de anillos específicos conocidos como indazoles y benzimidazoles. La computadora simuló cómo cada compuesto se asentaría en el hueco, calculando qué tan fuertemente se uniría y si preferiría este lugar de unión sobre otros sitios conocidos en la proteína.

Los resultados de este cribado virtual revelaron una nueva dirección prometedora. Entre los muchos compuestos probados, una familia específica de moléculas construidas alrededor de un núcleo de indazol surgió como la candidata más fuerte. Dos de estas, llamadas BTBn_Ind_001 y BTBn_Ind_002, mostraron la mayor capacidad predicha para adherirse a la interfaz del par de proteínas. La simulación sugirió que se unirían con una fuerza comparable a la de los mejores fármacos existentes que atacan otras partes de la proteína, pero con una diferencia crucial: fueron diseñadas para interrumpir la asociación entre las dos moléculas de KEAP1 en lugar de bloquear el sitio de agarre. Estos principales candidatos también fueron revisados en cuanto a seguridad y propiedades similares a las de un fármaco, y pasaron las pruebas iniciales, demostrando que son lo suficientemente pequeños y estables como para convertirse potencialmente en medicamentos.

Curiosamente, el estudio también encontró que dos compuestos, que fueron diseñados originalmente para un propósito diferente, también encajan bien en esta interfaz. Uno de ellos, JKE-1674, fue desarrollado para detener un proceso llamado ferroptosis, un tipo de muerte celular impulsada por la oxidación de hierro y grasas. El otro, PipAryl_005, fue diseñado para bloquear una proteína transportadora involucrada en el metabolismo del cáncer. El hecho de que estos fármacos no relacionados también interactuaran con el sitio de unión de KEAP1 sugiere que una sola estructura química podría atacar múltiples objetivos en la red de defensa de la célula. Esta acción dual podría ser particularmente útil en el tratamiento de cánceres que se han vuelto resistentes a las terapias estándar, ya que atacaría el problema desde dos ángulos a la vez.

A pesar de estos prometedores resultados computacionales, el investigador advierte cuidadosamente que estos hallazgos son actualmente solo predicciones. El estudio dependió enteramente de modelos y simulaciones digitales, que son herramientas poderosas para reducir las posibilidades pero no pueden probar que un fármaco funcionará en un sistema vivo. Los modelos computacionales mostraron que la interfaz es un objetivo viable y que formas químicas específicas encajan bien, pero la fuerza de unión real y los efectos biológicos aún no se han medido en un laboratorio. El investigador propone que los siguientes pasos deben involucrar experimentos físicos, como probar si estos compuestos pueden realmente detener la unión de las proteínas en un tubo de ensayo y observar si pueden activar los genes protectores en células vivas.

El estudio concluye que la interfaz de unión de KEAP1 es un objetivo real y accesible para nuevos fármacos, ofreciendo una estrategia fresca para controlar las defensas antioxidantes de la célula. Las moléculas basadas en indazol identificadas en este trabajo representan los primeros candidatos descubiertos computacionalmente para este sitio específico, proporcionando un nuevo punto de partida para que los científicos construyan mejores medicinas. Si bien el camino desde una simulación computacional hasta un tratamiento real es largo e incierto, este trabajo abre una puerta a un mecanismo que ha sido pasado por alto durante años. Al centrarse en cómo las proteínas guardianas se conectan entre sí, en lugar de solo cómo agarran sus objetivos, los investigadores pueden haber encontrado una manera de superar a las células cancerosas que han aprendido a evadir los tratamientos actuales. El viaje desde estas puntuaciones digitales hasta un fármaco funcional requerirá pruebas rigurosas, pero el potencial de desbloquear una nueva clase de terapias hace que el esfuerzo valga la pena.