In ons lichaam zitten eiwitten die het werk doen in de cel, en eiwitten die hen moeten reguleren. Die laatsten remmen of versterken de activiteit, afhankelijk van de noodzaak. Bij veel ziekten – bijvoorbeeld bij kanker – is er echter zo’n grote overactiviteit in de cel, dat de regulator-eiwitten het niet meer kunnen bijbenen. Onderzoekers van de TU Eindhoven ontwikkelden daarom in 2019 een soort moleculaire ‘lijm’ die de regulator helpt om harder te remmen. Nu is deze techniek verder uitgewerkt, en vonden de onderzoekers een compleet onverwachte manier om nieuwe eiwit-lijmende moleculen te maken. Dit biedt perspectief voor de ontwikkeling van medicijnen voor bijvoorbeeld kanker, diabetes of taaislijmziekten. Ze publiceerden hun resultaten in Nature Communications.
Overactieve eiwitten veroorzaken veel ziekten in ons lichaam. Artsen bestrijden deze meestal rechtstreeks door een remmend medicijn gericht naar het overactieve eiwit te sturen. Maar dat werkt niet bij alle ziekten: het medicijn remt soms niet alleen de zieke eiwitten, maar ook de gezonde. Onderzoekers zijn daarom verder gaan kijken naar andere manieren om overactieve eiwitten te remmen, terwijl de gezonde eiwitten ongemoeid blijven.
Onderzoekers Eline Sijbesma en Emira Visser in het laboratorium. Foto: Sijbesma en Visser
De weg via regulator-eiwitten is dan logisch, omdat hun natuurlijke functie er toch al uit bestaat de overactiviteit in de cel te remmen. Kun je die regulator-eiwitten ondersteunen in hun remmende kracht, als een volumeknop die je harder draait, dan heb je een veel natuurlijkere en doelmatigere manier gevonden om overactieve eiwitten te onderdrukken. TU/e-onderzoekers Eline Sijbesma en Emira Visser van het Institute for Complex Molecular Systems zijn met deze vraag aan de slag gegaan.
Sleutel en slot
De remming of versterking van activiteiten in onze cellen vindt plaats doordat een regulator-eiwit bindt aan het proces-eiwit in de cel dat regulatie nodig heeft. Ze vormen dan samen een complex. Sijbesma: “Door vorm van de twee eiwitten en de plaats waar ze aan elkaar binden, ontstaat een soort holte tussen de twee eiwitten in. Juist deze holtes zijn interessant voor het gericht sturen van medicijnen. Zulke holletjes zijn namelijk zeer specifiek, de bindingsplaatsen die beschikbaar zijn in een holte zijn voor elk complex van twee eiwitten uniek. Voor ons zijn dat de chemische handvatten waar we ons op richten met een nieuw medicijn.”
Dit is een bekend mechanisme in de cel; holletjes in eiwitcomplexen worden gebonden door kleine signaal-moleculen in de cel. Zij werken als inhibitoren, die ervoor zorgen dat er geen ander eiwit meer kan binden, of als stabilisatoren die het complex juist veel stabieler maken. Dat stabieler maken willen de onderzoekers ook. Een stabilisator werkt namelijk als een soort moleculaire lijm, die de twee eiwitten aan elkaar vastplakt zodat ze beter met elkaar kunnen communiceren. Het regulator-eiwit heeft daardoor dus veel meer grip om het proces-eiwit te remmen. Een doorgeslagen ziekte-eiwit kan zo op een natuurlijke manier sterk gecorrigeerd worden.
Visser legt uit: “Wij willen nieuwe stabilisatoren maken, maar die dan wel zo uniek maken dat ze ieder maar op één complex passen. De crux zit hem dus in het vinden van een deeltje dat precies past in die specifieke holte, als een sleutel in een slot. Weet je eenmaal hoe dat moet, dan kun je per ziekte zoeken naar een geschikte holte, en daar een heel specifiek molecuul voor ontwikkelen.”
Stabilisator versus inhibitor
In 2019 publiceerden de onderzoekers op die manier een soort lijm-molecuul, dat inderdaad precies in de holte van zo’n eiwitcomplex past. De binding aan het regulator-eiwit werd daardoor daadwerkelijk 40 keer sterker dan zonder de ‘lijm’. Sijbesma: “Nu we hadden aangetoond dat onze hypothese werkt, konden we op zoek naar nieuwe manieren om chemische startpunten voor lijm-moleculen te vinden. We startten die zoektocht met een set virtuele moleculen, en zijn vervolgens gaan sleutelen om er één precies passend te maken voor het complex dat we voor ogen hadden.”
Per toeval kwamen de onderzoekers er achter dat een van de meest veelbelovende moleculen een bekende inhibitor is, die normaal binding van eiwitten aan het regulator-eiwit voorkomt. En dat zou betekenen dat je uit een veel grotere pool mogelijke moleculen kunt kiezen. Visser: “Daar hadden we niet eerder aan gedacht, want de eigenschappen van de inhibitoren, namelijk dat geen enkel ander eiwit meer kan binden, wil je juist niet.”
Na veel aanpassingen aan het inhibitor-molecuul bleken de onderzoekers echter die ongewenste eigenschappen te kunnen omzetten naar gewenste. “We bouwen als het ware een inhibitor om tot een stabilisator,” legt Sijbesma uit. Sijbesma en Visser waren nog wel even bang dat dit nieuwe molecuul niet specifiek genoeg zou zijn, en daarom een effect zou hebben op meerdere eiwitcomplexen, maar dat bleek na uitvoerig experimenteel werk niet het geval te zijn. Zo ontdekten de onderzoekers een geheel nieuwe pool van moleculen om als startpunt voor hun moleculaire lijm te kunnen gebruiken.
Diabetes, taaislijmziekte en kanker
De volgende stap is het testen van de nieuwe moleculen in de cel. De onderzoekers hopen uiteindelijk een platform op te kunnen zetten, waarbij ze dezelfde truc, kunnen toepassen op veel verschillende ziekten. Ze denken daarbij bijvoorbeeld aan stofwisselingsziekten zoals diabetes, neurodegeneratieve ziekten, taaislijmziekte en verschillende soorten kanker. Sijbesma concludeert: “Dat zijn allemaal ziekten die ontstaan vanwege op hol geslagen eiwitten, en waarbij die eiwitten ook nog zo complex zijn dat rechtstreekse remming vaak niet selectief genoeg is.”
Deze resultaten werden gepubliceerd op 7 augustus in het vakblad Nature Communications, onder de titel ‘Structure-based evolution of a promiscuous inhibitor to a selective stabilizer of protein-protein interactions’. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-17741-0. Het onderzoek is uitgevoerd aan de TU Eindhoven, bij het Institute for Complex Molecular Systems en de faculteit Biomedical Engineering, aan de universiteiten Tübingen en Duisburg-Essen in Duitsland. Bron TU Eindhoven
