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

Binnen de cellen van ons lichaam bepaalt een delicaat evenwicht of een cel een toxische aanval overleeft of eraan ten onder gaat. Een van de belangrijkste spelers in dit drama is een eiwit genaamd NRF2, dat fungeert als een hoofdschakelaar voor de verdedigingssystemen van de cel. Onder normale omstandigheden houdt een ander eiwit genaamd KEAP1 NRF2 in bedwang, waardoor het wordt gemarkeerd voor vernietiging zodat de cel niet overreageert. Echter, bij bepaalde agressieve vormen van colorectale kanker kaapt een ander eiwit, genaamd p62, dit systeem. Het grijpt zich vast aan KEAP1 en trekt het weg, waardoor NRF2 vrijkomt om ongecontroleerd door te gaan. Dit ongebreidelde verdedigingsmechanisme helpt kankercellen te weerstaan tegen een specifiek type celdood dat bekend staat als ferroptose, een proces waarbij cellen worden vernietigd door ze van binnenuit te laten roesten. Wanneer kankercellen resistent worden tegen ferroptose, worden ze veel moeilijker te doden met bestaande behandelingen.

Wetenschappers vermoedden al lang dat als ze een klein molecuul konden vinden—een drug-achtig chemisch bestanddeel—dat voorkomt dat p62 KEAP1 vastpakt, ze de natuurlijke capaciteit van de cel om te sterven wanneer deze onder aanval staat, zouden kunnen herstellen. De uitdaging ligt in de architectuur van de betrokken eiwitten. Zowel p62 als NRF2 binden aan hetzelfde algemene gebied op KEAP1, een plat, wielvormig oppervlak. Het is alsof je probeert een sleutel te vinden die in een specifiek slot van een deur past, om er vervolgens achter te komen dat het slot zo vergelijkbaar is met het slot ernaast dat elke sleutel die de één opent, waarschijnlijk ook de ander opent. Als een medicijn het verkeerde punt blokkeert, kan het de normale verdediging van de cel verstoren in plaats van deze te helpen. De vraag waarmee onderzoekers werden geconfronteerd was of het mogelijk is om een molecuul te ontwerpen dat alleen de p62-bindingsplaats target zonder de NRF2-plaats te verstoren, of dat de twee locaties simpelweg te vergelijkbaar zijn om uit elkaar te houden.

Een onafhankelijk werkende onderzoeker zette zich af om deze vraag te beantwoorden door middel van een massale digitale simulatie. In plaats van chemicaliën in een laboratorium te testen, gebruikte hij een computer om te modelleren hoe dertig-acht verschillende verbindingen zouden interageren met het KEAP1-eiwit. Het team richtte zich op het specifieke gebied waar p62 zich hecht, bekend als de KIR-site, en vergeleek hoe goed elk bestanddeel daar paste versus hoe goed het in de nabijgelegen NRF2-site paste. Ze onderzochten een diverse collectie moleculen, variërend van kleine fragmenten die bedoeld zijn om het oppervlak te verkennen tot complexere structuren geïnspireerd door bekende medicijnen. Het doel was om te zien of enig enkel bestanddeel stevig aan de p62-plek kon blijven plakken terwijl het de NRF2-plek negeerde, om effectief als een selectieve blokkade te fungeren.

De resultaten van deze digitale screening onthulden een verrassende realiteit, maar met een belangrijke kanttekening. Voor de overgrote meerderheid van de geteste verbindingen kon de computer geen onderscheid maken tussen de twee locaties. Wanneer een molecuul goed paste in de p62-pocket, paste het bijna altijd net zo goed in de NRF2-pocket. Van de achtendertig verbindingen vertoonden er vierendertig bijna identieke bindingssterktes voor beide locaties. De onderzoekers waarschuwden echter expliciet dat dit resultaat een artefact zou kunnen zijn van de simulatiemethode zelf. De computermodellen gebruikten twee verschillende groottes "zoekdozen" die aanzienlijk overlapten, wat de software kan dwingen om voor beide locaties vergelijkbare scores te rapporteren, ongeacht of het medicijn de voorkeur geeft aan één van de twee. Vanwege dit methodologische gebrek is de conclusie dat een "pan-Kelch"-remmer (een medicijn dat beide locaties blokkeert) de beste strategie is, momenteel voorlopig en onbewezen. De onderzoekers gaven duidelijk aan dat deze interpretatie de meest waarschijnlijke is op basis van de gegevens, maar dat het moet worden bevestigd door de simulatie opnieuw uit te voeren met perfect afgestemde zoekdozen voordat het als een feit kan worden beschouwd.

Toch identificeerde de studie één opvallende kandidaat die het patroon doorbrak. Een verbinding genaamd Arg_Anchor_004, die een specifieke chemische structuur genaamd een aminobenzothiazool bevat, vertoonde een bescheiden voorkeur voor de p62-locatie boven de NRF2-locatie. Het bond sterker aan het doelwit dat de onderzoekers wilden blokkeren. Dit molecuul slaagde voor standaardcontroles op de veiligheid en kwaliteit van medicijnen, wat het een veelbelovend startpunt maakt voor toekomstige ontwikkeling. De onderzoekers merkten op dat het lichte verschil in bindingssterkte klein was en verdere tests vereiste om dit te bevestigen, maar de structurele reden voor deze voorkeur was duidelijk: het molecuul vormde een specifieke verbinding met een deel van het eiwit dat alleen in het p62-bindingsgebied bestaat. Deze bevinding biedt een concreet spoor voor chemici die in de toekomst betere versies van dit molecuul zouden kunnen bouwen.

De studie belichtte ook een andere verbinding, JKE-1674, die leek te interageren met meerdere doelwitten die betrokken zijn bij celdood, inclusief het KEAP1-eiwit en andere enzymen die cellulaire stress beheren. Hoewel de computersimulaties suggereerden dat dit molecuul op verschillende plekken in kon grijpen, waren de onderzoekers voorzichtig om dit als een hypothese te formuleren in plaats van een bewezen feit. Ze benadrukten dat dit digitale voorspellingen waren die in een nat laboratorium geverifieerd moesten worden. Het werk dient als een kaart van het chemische landschap, die laat zien dat hoewel het vinden van een perfect selectief medicijn voor deze specifieke eiwitinteractie moeilijk is, er levensvatbare paden voorwaarts zijn. De meest directe les is dat de twee bindingsplaatsen in deze specifieke simulatie bijna ononderscheidbaar lijken, maar dat deze conclusie sterk afhankelijk is van de imperfecte opzet van het computermodel. Totdat de simulatie wordt gecorrigeerd, blijft het idee van een medicijn dat beide locaties blokkeert een hypothese, terwijl de enkele verbinding met een lichte voorkeur een nieuwe richting biedt voor degenen die zoeken naar een meer gerichte oplossing.