Targeting an allosteric binding site in the citrate transporter NaCT (SLC13A5)

All'interno delle cellule del corpo umano, minuscole macchine lavorano costantemente per spostare nutrienti essenziali attraverso le barriere protettive che le circondano. Una di queste macchine è una proteina chiamata NaCT, che agisce come un guardiano specializzato per il citrato, una molecola vitale per la produzione di energia e la creazione di grassi. In una persona sana, questo cancello si apre e si chiude con precisionza, permettendo il passaggio della giusta quantità di citrato. Tuttavia, quando questo sistema funziona male, le conseguenze possono essere gravi. Se il cancello è rotto e lascia accumulare troppo citrato, può scatenare una rara e devastante forma di epilessia nei neonati. Al contrario, se il cancello è bloccato o funziona troppo lentamente, può contribuire a disturbi metabolici come la malattia del fegato grasso. Per decenni, gli scienziati che cercavano di risolvere questi problemi si sono concentrati sull'ingresso principale del cancello, il punto in cui il citrato entra naturalmente. Hanno progettato farmaci che somigliano al citrato per bloccare questa porta, ma questo approccio ha dei limiti. Poiché questi farmaci imitano la molecola naturale, sono spesso difficili da controllare e possono faticare a distinguere tra i diversi tipi di cancelli presenti nel corpo.

Un team di ricercatori ha ora scoperto un modo completamente diverso per influenzare questo cancello. Invece di cercare di bloccare l'ingresso principale, hanno trovato un punto nascosto sul lato della macchina, una piccola tasca situata dove due copie della proteina si uniscono. Mirando a questa posizione secondaria, hanno identificato una nuova classe di composti in grado di ridurre l'attività del cancello senza mai toccare la porta principale. Questa scoperta, dettagliata in uno studio recente, suggerisce che gli scienziati possano ora progettare medicinali più precisi e versatili, offrendo speranza per il trattamento sia della rara epilessia causata da cancelli guasti, sia delle comuni malattie metaboliche causate da cancelli pigri. Sebbene lo studio attuale si sia concentrato sugli inibitori, i ricercatori osservano che strategie simili potrebbero potenzialmente essere adattate in futuro per ripristinare la funzione dei cancelli guasti.

I ricercatori hanno iniziato la loro ricerca esaminando una mappa 3D dettagliata della proteina NaCT, creata utilizzando tecniche di imaging avanzate che congelano le molecole in posizione. Utilizzando un software per computer, hanno scansionato la superficie della proteina per trovare eventuali nicchie o cavità che potessero essere adatte a un farmaco per aggrapparsi. Mentre l'ingresso principale del citrato era ben noto, il software ha evidenziato una tasca precedentemente trascurata situata alla giunzione dove due unità proteiche si incontrano. Questa tasca è rivestita di caratteristiche chimiche specifiche che la rendono attraente per certi tipi di molecole. Il team ha dedotto che se un farmaco potesse legarsi a questa tasca laterale, avrebbe potuto agire come un cuneo o un morsetto, cambiando il modo in cui le due unità proteiche interagiscono e, di conseguenza, alterando il modo in cui il cancello si apre e si chiude.

Per testare questa idea, gli scienziati hanno utilizzato un potente programma per computer per setacciare milioni di potenziali candidati farmaci. Hanno filtrato un database di 3,5 milioni di strutture chimiche, cercando molecole che si inserissero perfettamente in questa tasca laterale e formassero connessioni forti con le parti proteiche circostanti. Da questa massiccia ricerca digitale, hanno ristretto la lista ai 30 candidati più promettenti e li hanno acquistati per test nel mondo reale. Hanno inserito questi composti in un allestimento di laboratorio dove cellule umane erano state ingegnerizzate per produrre il cancello NaCT. Misurando quanto citrato le cellule assorbivano, potevano vedere se i nuovi composti stavano riuscendo a rallentare il cancello. I risultati sono stati immediati e chiari: tre dei composti hanno ridotto con successo la quantità di citrato che entrava nelle cellule, provando che la tasca laterale era effettivamente un bersaglio praticabile.

Incoraggiati da questi successi iniziali, il team è passato a perfezionare le proprie scoperte. Hanno preso il composto più efficace del primo round e ne hanno ordinate 26 versioni leggermente diverse, modificando la struttura chimica per vedere quali cambiamenti rendessero il farmaco più forte. Questo processo, noto come test della relazione struttura-attività, ha rivelato che certe forme chimiche funzionavano molto meglio di altre. Nello specifico, hanno scoperto che l'aggiunta di parti più oleose e idrorepellenti a un lato della molecola e di anelli aromatici all'altro migliorava significativamente la capacità del farmaco di legarsi alla tasca. Ciò ha portato all'identificazione di sei nuovi composti molto più potenti del hit originale, con alcuni in grado di bloccare il cancello a concentrazioni di soli 12,78 micromolari. Fondamentalmente, questi nuovi composti non hanno danneggiato le cellule, suggerendo che siano abbastanza sicuri da poter essere ulteriormente approfonditi.

Per garantire che questi farmaci stessero agendo davvero sulla specifica tasca laterale che avevano identificato, i ricercatori hanno incrociato i loro risultati con una vasta collezione di dati genetici. Hanno esaminato una mappa completa di ogni possibile mutazione nel gene NaCT, che mostrava come i cambiamenti nella struttura della proteina influenzassero la sua funzione. Hanno scoperto che un elemento edilizio specifico della proteina, chiamato fenilalanina-362, giocava un ruolo critico. Nei loro modelli al computer, questo elemento era posizionato proprio dove i nuovi farmaci dovevano legarsi. I dati genetici hanno confermato che, quando questo specifico elemento veniva alterato, le cellule diventavano molto meno sensibili ai farmaci. Questo allineamento tra le previsioni del computer, i test chimici e le prove genetiche suggerisce fortemente che i farmaci si stiano effettivamente aggrappando alla tasca laterale prevista e non a qualche altro punto casuale della proteina.

La portata di questo lavoro risiede nel nuovo percorso che apre allo sviluppo di farmaci. Per anni, l'unico modo per fermare il cancello NaCT è stato competere direttamente con il citrato all'ingresso principale, una strategia che è chimicamente restrittiva e porta spesso a farmaci troppo simili alla molecola naturale. Dimostrando che esiste una tasca laterale e che può essere colpita, questo studio dimostra che gli scienziati possono ora progettare medicinali che funzionano in un modo fondamentalmente diverso. Questi nuovi composti non somigliano al citrato; sono chimicamente distinti e si legano a una posizione che controlla la meccanica del cancello dall'esterno. Sebbene i ricercatori sottolineino che sia necessario ulteriore lavoro per confermare esattamente come questi farmaci si aggancino alla proteina e per garantire che funzionino bene nell'ambiente complesso del corpo umano, la scoperta fornisce una solida base per le terapie future. Offre un modello per la creazione di medicinali che potrebbero un giorno essere progettati per chiudere un cancello iperattivo nella malattia metabolica o, potenzialmente in futuro, per tenere aperto un cancello guasto nell'epilessia genetica, affrontando due problemi medici molto diversi con una singola strategia flessibile.