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

हमारे शरीर की कोशिकाओं के भीतर, एक सूक्ष्म संतुलन यह निर्धारित करता है कि कोशिका किसी जहरीले हमले में जीवित रहेगी या उसका शिकार हो जाएगी। इस नाटक के प्रमुख पात्रों में से एक NRF2 नामक प्रोटीन है, जो कोशिका की रक्षा प्रणालियों के लिए एक मास्टर स्विच के रूप में कार्य करता है। सामान्य परिस्थितियों में, KEAP1 नामक एक अन्य प्रोटीन NRF2 को नियंत्रण में रखता है, उसे विनाश के लिए चिह्नित करता है ताकि कोशिका अत्यधिक प्रतिक्रिया न करे। हालाँकि, कोलोरेक्टल कैंसर के कुछ आक्रामक रूपों में, p62 नामक एक अलग प्रोटीन इस प्रणाली का अपहरण कर लेता है। यह KEAP1 को पकड़ लेता है और उसे दूर खींच लेता है, जिससे NRF2 को अनियंत्रित होकर चलने के लिए मुक्त कर देता है। यह अनियंत्रित रक्षा तंत्र कैंसर कोशिकाओं को फेरोप्टोसिस (ferroptosis) नामक एक विशिष्ट प्रकार की कोशिका मृत्यु का विरोध करने में मदद करता है, जो कोशिकाओं को अंदर से जंग लगने (rust) की तरह नष्ट करके काम करती है। जब कैंसर कोशिकाएं फेरोप्टोसिस के प्रति प्रतिरोधी हो जाती हैं, तो उन्हें मौजूदा उपचारों से मारना बहुत कठिन हो जाता है।

वैज्ञानिक लंबे समय से संदेह कर रहे थे कि यदि वे एक छोटा अणु—एक दवा जैसा रसायन—पा सकें जो p62 को KEAP1 को पकड़ने से रोक सके, तो वे कोशिका की हमले के दौरान मरने की प्राकृतिक क्षमता को बहाल करने में सक्षम हो सकते हैं। चुनौती इसमें शामिल प्रोटीन की वास्तुकला है। दोनों p62 और NRF2, KEAP1 पर एक ही सामान्य क्षेत्र से बंधते हैं, जो एक सपाट, पहिये के आकार की सतह है। यह एक दरवाजे पर लगे विशिष्ट ताले में फिट होने वाली चाबी खोजने जैसा है, केवल यह पता लगाने के लिए कि वह ताला बगल वाले ताले के समान ही है, जिससे कोई भी चाबी जो एक को खोलती है, संभवतः दूसरे को भी खोल देगी। यदि कोई दवा गलत स्थान को ब्लॉक करती है, तो यह कोशिका की सामान्य रक्षा प्रणालियों को बाधित कर सकती है बजाय उनके काम करने में मदद करने के। शोधकर्ताओं के सामने प्रश्न यह था कि क्या एक ऐसा अणु डिजाइन करना संभव है जो NRF2 साइट को परेशान किए बिना केवल p62 बाइंडिंग साइट को लक्षित करे, या क्या दोनों साइटें एक-दूसरे से अलग पहचान पाने के लिए बहुत समान हैं।

एक स्वतंत्र रूप से काम कर रहे शोधकर्ता ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए एक विशाल डिजिटल सिमुलेशन चलाने का निर्णय लिया। प्रयोगशाला में रसायनों का परीक्षण करने के बजाय, उन्होंने कंप्यूटर का उपयोग यह मॉडल करने के लिए किया कि अड़तीस अलग-अलग यौगिक KEAP1 प्रोटीन के साथ कैसे परस्पर क्रिया करेंगे। टीम ने उस विशिष्ट क्षेत्र पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ p62 जुड़ता है, जिसे KIR साइट कहा जाता है, और तुलना की कि प्रत्येक यौगिक वहां कितनी अच्छी तरह फिट होता है बनाम वह पास के NRF2 साइट में कितनी अच्छी तरह फिट होता है। उन्होंने अणुओं के एक विविध संग्रह का परीक्षण किया, जिसमें सतह को जांचने के लिए डिज़ाइन किए गए छोटे अंशों से लेकर ज्ञात दवाओं से प्रेरित अधिक जटिल संरचनाएं तक शामिल थीं। लक्ष्य यह देखना था कि क्या कोई एकल यौगिक p62 स्पॉट पर मजबूती से चिपक सकता है जबकि NRF2 स्पॉट को अनदेखा कर सके, और प्रभावी रूप से एक चयनात्मक अवरोधक (selective blocker) के रूप में कार्य कर सके।

इस डिजिटल स्क्रीनिंग के परिणामों ने एक आश्चर्यजनक वास्तविकता का खुलासा किया, लेकिन एक बड़ी चेतावनी के साथ। परीक्षण किए गए अधिकांश यौगिकों के लिए, कंप्यूटर दोनों साइटों के बीच अंतर नहीं कर सका। जब एक अणु p62 पॉकेट में अच्छी तरह फिट हुआ, तो वह लगभग हमेशा NRF2 पॉकेट में भी उतनी ही अच्छी तरह फिट हुआ। अड़तीस यौगिकों में से, चौंतीस ने दोनों स्थानों के लिए लगभग समान बाइंडिंग स्ट्रेंथ दिखाई। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने स्पष्ट रूप से चेतावनी दी कि यह परिणाम स्वयं सिमुलेशन पद्धति का एक आर्टिफैक्ट (artifact) हो सकता है। कंप्यूटर मॉडल ने दो अलग-अलग आकार के "सर्च बॉक्स" का उपयोग किया जो काफी हद तक ओवरलैप होते थे, जो सॉफ्टवेयर को दोनों साइटों के लिए समान स्कोर रिपोर्ट करने के लिए मजबूर कर सकता है, चाहे दवा वास्तव में एक को दूसरे पर प्राथमिकता देती हो या नहीं। इस पद्धतिगत दोष के कारण, यह निष्कर्ष कि एक "पैन-केल्च" (pan-Kelch) इनहिबिटर (एक दवा जो दोनों साइटों को ब्लॉक करती है) सबसे अच्छी रणनीति है, वर्तमान में अनंतिम और अप्रमाणित है। शोधकर्ताओं ने स्पष्ट रूप से कहा कि यह रीडिंग डेटा के आधार पर सबसे संभावित व्याख्या है, लेकिन इसे तथ्य के रूप में स्वीकार करने से पहले पूरी तरह से मेल खाने वाले सर्च बॉक्स के साथ सिमुलेशन को फिर से चलाने के बाद ही माना जाना चाहिए।

हालाँकि, अध्ययन ने एक उत्कृष्ट उम्मीदवार की पहचान की जिसने इस पैटर्न को तोड़ दिया। Arg_Anchor_004 नामक एक यौगिक, जिसमें एक विशिष्ट रासायनिक संरचना जिसे एमिनोबेंजोथियाज़ोल (aminobenzothiazole) कहा जाता है, ने p62 साइट के प्रति मामूली प्राथमिकता दिखाई। यह उस लक्ष्य से अधिक मजबूती से जुड़ा जिसे शोधकर्ता ब्लॉक करना चाहते थे। यह अणु दवा सुरक्षा और गुणवत्ता के मानक परीक्षणों में पास हुआ, जो भविष्य के विकास के लिए एक आशाजनक शुरुआत बनाता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि बाइंडिंग स्ट्रेंथ में मामूली अंतर छोटा था और पुष्टि के लिए आगे के परीक्षण की आवश्यकता थी, लेकिन इस प्राथमिकता का संरचनात्मक कारण स्पष्ट था: अणु ने प्रोटीन के एक ऐसे हिस्से के साथ एक विशिष्ट संबंध बनाया जो केवल p62 बाइंडिंग क्षेत्र में मौजूद है। यह खोज उन रसायनविदों के लिए एक ठोस मार्ग प्रदान करती है जो भविष्य में इस अणु के बेहतर संस्करण बनाने का प्रयास कर सकते हैं।

अध्ययन ने एक अन्य यौगिक, JKE-1674, पर भी प्रकाश डाला, जो कोशिका मृत्यु में शामिल कई लक्ष्यों, जिसमें KEAP1 प्रोटीन और अन्य एंजाइम जो सेलुलर स्ट्रेस का प्रबंधन करते हैं, के साथ परस्पर क्रिया करता प्रतीत हुआ। जबकि कंप्यूटर सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि यह अणु कई अलग-अलग स्थानों पर प्रभाव डाल सकता है, शोधकर्ता इसे एक तथ्य के बजाय एक परिकल्पना के रूप में प्रस्तुत करने में सावधानी बरत रहे थे। उन्होंने इस बात पर जोर दिया कि ये डिजिटल भविष्यवाणियां थीं जिन्हें एक 'वेट लैब' (wet lab) में सत्यापित करने की आवश्यकता होगी। यह कार्य एक रासायनिक परिदृश्य के मानचित्र के रूप में कार्य करता है, जो दिखाता है कि हालांकि इस विशिष्ट प्रोटीन इंटरेक्शन के लिए एक पूरी तरह से चयनात्मक दवा खोजना कठिन है, फिर भी व्यवहार्य मार्ग मौजूद हैं। सबसे तात्कालिक निष्कर्ष यह है कि दो बाइंडिंग साइट्स इस विशिष्ट सिमुलेशन में लगभग अविभेद्य प्रतीत होती हैं, लेकिन यह निष्कर्ष कंप्यूटर मॉडल के अपूर्ण सेटअप पर अत्यधिक निर्भर है। जब तक सिमुलेशन को सुधारा नहीं जाता, तब तक दोनों साइटों को ब्लॉक करने वाली दवा का विचार एक परिकल्पना बना हुआ है, जबकि एक एकल यौगिक जो थोड़ी प्राथमिकता दिखाता है, अधिक लक्षित समाधान चाहने वालों के लिए एक नया दिशा प्रदान करता है।