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

Binnen elke cel houdt een delicaat evenwicht het lichaam veilig tegen de constante slijtage van het dagelijks leven. Dit evenwicht wordt beheerd door een meesterregulerend eiwit genaamd NRF2, dat fungeert als een schakelaar die de genen aanzet die schade herstellen en vechten tegen toxische stress. Deze schakelaar wordt echter meestal in de "uit"-positie gehouden door een waakhond-eiwit genaamd KEAP1. Onder normale omstandigheden grijpt KEAP1 NRF2 vast en markeert het voor vernietiging, om te voorkomen dat de cel overreageert op kleine irritaties. Wanneer cellen te maken krijgen met ernstige bedreigingen, zoals de opbouw van giftige vetten of de aanwezigheid van bepaalde kankermutaties, kan dit systeem falen. In sommige agressieve kankersoorten is de waakhond ofwel defect of wordt deze omzeild, waardoor de kankercellen beschermd en resistent blijven tegen behandeling. Wetenschappers proberen dit al lang te herstellen door medicijnen te ontwerpen die ofwel het grijpmechanisme blokkeren of de sensoren van de waakhond chemisch blokkeren, maar deze benaderingen hebben beperkingen en kunnen door de kanker worden uitgemanoeuvreerd.

Een nieuwe studie door onafhankelijk onderzoeker Cumhur Gokhan Ekmekci verkent een andere, grotendeels onontgonnen weg om dit systeem te controleren. In plaats van te proberen te voorkomen dat KEAP1 NRF2 vastgrijpt, vroeg de onderzoeker zich af of het mogelijk zou zijn om te voorkomen dat twee KEAP1-eiwitten elkaars hand vasthouden. KEAP1 werkt als een paar; twee moleculen moeten samenkomen om een functionele eenheid te vormen die in staat is NRF2 te vernietigen. Dit samenkomen vindt plaats bij een specifieke interface, een plat oppervlak waar de twee eiwitten elkaar raken. De studie suggereert dat als een medicijn zichzelf in deze ontmoetingsplaats zou kunnen wringen, het de vorming van het paar zou verhinderen, waardoor de waakhond effectief wordt uitgeschakeld zonder te hoeven concurreren met de natuurlijke eiwitten die er normaal gesproken aan binden. Met behulp van een krachtige computersimulatie testte de onderzoeker tientallen chemische structuren om te zien welke in deze specifieke opening zouden passen, op zoek naar een nieuwe manier om de natuurlijke verdediging van de cel te reactiveren.

Het onderzoek begon met het bouwen van een digitaal model van het KEAP1-eiwitpaar, waarbij een bekende structuur uit een database als blauwdruk werd gebruikt. De onderzoeker richtte zich op het specifieke oppervlak waar de twee eiwitten verbinding maken, een regio die tot nu toe grotendeels genegeerd was door medicijnontwikkelaars. Om ervoor te zorgen dat de zoektocht grondig was, werd de computer geprogrammeerd om zestig-één verschillende chemische verbindingen tegen deze interface te testen. Deze verbindingen werden gekozen uit een diverse mix, waaronder bekende medicijnen die mogelijk hergebruikt kunnen worden, kleine fragmenten van moleculen en nieuwe chemische ontwerpen gebaseerd op specifieke ringvormige structuren die bekend staan als indazolen en benzimidazolen. De computer simuleerde hoe elk bestand deel zich in de opening zou nestelen, waarbij werd berekend hoe strak het zou binden en of het deze verbindingsplek zou verkiezen boven andere bekende locaties op het eiwit.

De resultaten van deze virtuele screening onthulden een veelbelovende nieuwe richting. Onder de vele geteste verbindingen kwamen een specifieke familie van moleculen gebouwd rond een indazol-kern als de sterkste kandidaten naar voren. Twee hiervan, genaamd BTBn_Ind_001 en BTBn_Ind_002, vertoonden het hoogste voorspelde vermogen om aan het interface van het eiwitpaar te hechten. De simulatie suggereerde dat ze zouden binden met een sterkte die vergelijkbaar is met de beste bestaande medicijnen die andere delen van het eiwit targeten, maar met een cruciaal verschil: ze waren ontworpen om de samenwerking tussen de twee KEAP1-moleculen te verstoren in plaats van de grijpplek te blokkeren. Deze topkandidaten werden ook gecontroleerd op veiligheid en medicijn-achtige eigenschappen, en zij slaagden voor de initiële tests, wat aantoont dat ze klein genoeg en stabiel genoeg zijn om potentieel medicijnen te worden.

Interessant genoeg vond de studie ook dat twee verbindingen, die oorspronkelijk voor een ander doel waren ontworpen, ook goed in deze interface pasten. Een van deze, JKE-1674, werd ontwikkeld om een proces genaamd ferroptose te stoppen, een vorm van celsterfte die wordt gedreven door ijzer- en vetoxidatie. De andere, PipAryl_005, was ontworpen om een transporteiwit te blokkeren dat betrokken is bij het kankermetabolisme. Het feit dat deze ongerelateerde medicijnen ook de KEAP1-verbindingsinterface betraden, suggereert dat een enkele chemische structuur meerdere doelen in het verdedigingsnetwerk van de cel kan raken. Deze dubbele werking zou bijzonder nuttig kunnen zijn bij de behandeling van kankers die resistent zijn geworden tegen standaardtherapieën, omdat het het probleem vanuit twee hoeken tegelijk aanvalt.

Ondanks deze veelbelovende computerresultaten merkt de onderzoeker voorzichtig op dat deze bevindingen momenteel slechts voorspellingen zijn. De studie vertrouwde volledig op digitale modellen en simulaties, die krachtige instrumenten zijn om mogelijkheden in te perken, maar niet kunnen bewijzen dat een medicijn zal werken in een levend systeem. De computermodellen toonden aan dat de interface een levensvatbaar doelwit is en dat specifieke chemische vormen er goed in passen, maar de werkelijke bindingssterkte en biologische effecten zijn nog niet in een laboratorium gemeten. De onderzoeker stelt dat de volgende stappen fysieke experimenten moeten omvatten, zoals testen of deze verbindingen daadwerkelijk de eiwitten kunnen stoppen met verbinden in een reageerbuis en observeren of ze de beschermende genen in levende cellen kunnen activeren.

De studie concludeert dat de KEAP1-verbindingsinterface een echt, toegankelijk doelwit is voor nieuwe medicijnen, wat een frisse strategie biedt om de antioxidantverdediging van de cel te controleren. De in dit werk geïdentificeerde indazol-gebaseerde moleculen vertegenwoordigen de eerste computationeel ontdekte kandidaten voor deze specifieke locatie, wat een nieuw startpunt biedt voor wetenschappers om betere medicijnen te bouwen. Hoewel de weg van een computersimulatie naar een echt medicijn lang en onzeker is, opent dit werk een deur naar een mechanisme dat jarenlang is over het hoofd gezien. Door te focussen op hoe de waakhond-eiwitten met elkaar verbinden, in plaats van alleen op hoe ze hun doelwitten grijpen, hebben onderzoekers mogelijk een manier gevonden om de kankercellen te slim af te zijn die hebben geleerd om huidige behandelingen te ontwijken. De reis van deze digitale scores naar een werkend medicijn zal rigoureuze tests vereisen, maar het potentieel om een nieuwe klasse therapieën te ontsluiten maakt de inspanning de moeite waard.