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

Dentro ogni cellula, un delicato equilibrio mantiene il corpo al sicuro dall'usura costante della vita quotidiana. Questo equilibrio è gestito da una proteina regolatrice principale chiamata NRF2, che agisce come un interruttore, attivando i geni che riparano i danni e combattono lo stress tossico. Tuttavia, questo interruttore è solitamente mantenuto in posizione "off" da una proteina guardiana chiamata KEAP1. In condizioni normali, KEAP1 afferra NRF2 e la marca per la distruzione, assicurando che la cellula non reagisca eccessivamente a irritazioni minori. Quando le cellule affrontano minacce serie, come l'accumulo di grassi tossici o la presenza di certe mutazioni cancerose, questo sistema può fallire. In alcuni tumori aggressivi, il guardiano è o rotto o bypassato, lasciando le cellule cancerose protette e resistenti al trattamento. Gli scienziati hanno a lungo cercato di riparare questo problema progettando farmaci che blocchino il meccanismo di presa o che ostruiscano chimicamente i sensori del guardiano, ma questi approcci hanno dei limiti e possono essere superati dal cancro.

Uno studio del ricercatore indipendente Cumhur Gokhan Ekmekci esplora una via diversa e in gran parte inesplorata per controllare questo sistema. Invece di cercare di impedire a KEAP1 di afferrare NRF2, il ricercatore si è chiesto se fosse possibile impedire a due proteine KEAP1 di tenersi per mano. KEAP1 lavora come una coppia; due molecole devono unirsi per formare un'unità funzionale capace di distruggere NRF2. Questa unione avviene in un'interfaccia specifica, una superficie piatta dove le due proteine si toccano. Lo studio suggerisce che, se un farmaco potesse incunearsi in questo punto d'incontro, impedirebbe alla coppia di formarsi, disabilitando efficacemente il guardiano senza dover competere con le proteine naturali che solitamente si legano ad esso. Utilizzando una potente simulazione al computer, il ricercatore ha testato decine di strutture chimiche per vedere quali potessero adattarsi in questo spazio specifico, cercando un nuovo modo per riattivare le difese naturali della cellula.

L'indagine è iniziata costruendo un modello digitale della coppia di proteine KEAP1, utilizzando una struttura nota da un database come progetto. Il ricercatore si è concentrato sulla superficie specifica in cui le due proteine si connettono, una regione che era stata ampiamente ignorata dagli sviluppatori di farmaci fino ad ora. Per garantire che la ricerca fosse esaustiva, il computer è stato programmato per testare sessantuno diversi composti chimici contro questa interfaccia. Questi composti sono stati scelti da un mix diversificato, inclusi farmaci noti che potrebbero essere riutilizzati, piccoli frammenti di molecole e nuovi design chimici basati su specifiche strutture ad anello note come indazoli e benzimidazoli. Il computer ha simulato come ogni composto si sarebbe posizionato nello spazio, calcolando quanto strettamente si sarebbe legato e se avrebbe preferito questo punto di unione rispetto ad altri siti noti sulla proteina.

I risultati di questo screening virtuale hanno rivelato una nuova e promettente direzione. Tra i molti composti testati, una specifica famiglia di molecole costruite attorno a un nucleo di indazolo è emersa come la candidata più forte. Due di queste, chiamate BTBn_Ind_001 e BTBn_Ind_002, hanno mostrato la più alta capacità prevista di aderire all'interfaccia della coppia proteica. La simulazione ha suggerito che si legherebbero con una forza comparabile ai migliori farmaci esistenti che colpiscono altre parti della proteina, ma con una differenza cruciale: erano progettate per interrompere la partnership tra le due molecole KEAP1 piuttosto che bloccare il sito di presa. Questi principali candidati sono stati anche controllati per la sicurezza e le proprietà simili a quelle di un farmaco, e hanno superato i test iniziali, dimostrando di essere abbastanza piccoli e stabili da poter potenzialmente diventare medicinali.

Interessante è che lo studio ha anche scoperto che due composti, originariamente progettati per uno scopo diverso, si adattano bene a questa interfaccia. Uno di questi, JKE-1674, è stato sviluppato per fermare un processo chiamato ferroptosi, un tipo di morte cellulare guidata dall'ossidazione di ferro e grassi. L'altro, PipAryl_005, è stato progettato per bloccare una proteina trasportatrice coinvolta nel metabolismo del cancro. Il fatto che questi farmaci non correlati abbiano comunque interagito con il sito di unione di KEAP1 suggerisce che una singola struttura chimica potrebbe essere in grado di colpire molteplici bersagli nella rete di difesa della cellula. Questa doppia azione potrebbe essere particolarmente utile nel trattamento di tumori che sono diventati resistenti alle terapie standard, poiché attaccherebbe il problema da due angolazioni contemporaneamente.

Nonostante questi promettenti risultati al computer, il ricercatore avverte con cautela che queste sono attualmente solo previsioni. Lo studio si è basato interamente su modelli digitali e simulazioni, che sono strumenti potenti per restringere le possibilità ma non possono provare che un farmaco funzionerà in un sistema vivente. I modelli informatici hanno mostrato che l'interfaccia è un bersaglio praticabile e che specifiche forme chimiche si adattano bene, ma la reale forza di legame e gli effetti biologici non sono ancora stati misurati in laboratorio. Il ricercatore propone che i passi successivi debbano prevedere esperimenti fisici, come testare se questi composti possano effettivamente impedire alle proteine di unirsi in una provetta e osservare se possono attivare i geni protettivi nelle cellule viventi.

Lo studio conclude che l'interfaccia di unione di KEAP1 è un bersaglio reale e accessibile per nuovi farmaci, offrendo una nuova strategia per controllare le difese antiossidanti della cellula. Le molecole basate sull'indazolo identificate in questo lavoro rappresentano i primi candidati scoperti computazionalmente per questo sito specifico, fornendo un nuovo punto di partenza per costruire medicinali migliori. Sebbene il percorso da una simulazione al computer a un vero trattamento sia lungo e incerto, questo lavoro apre una porta a un meccanismo che è stato trascurato per anni. Concentrandosi su come le proteine guardiane si connettono tra loro, piuttosto che su come afferrano i loro bersagli, i ricercatori potrebbero aver trovato un modo per superare in astuzia le cellule cancerose che hanno imparato a eludere gli attuali trattamenti. Il viaggio da questi punteggi digitali a un farmaco funzionante richiederà test rigorosi, ma il potenziale di sbloccare una nuova classe di terapie rende lo sforzo degno di nota.