Препараты, убивающие белки, могут стать мощным оружием в борьбе с опасными заболеваниями. Об этих лекарствах, которые еще находятся в разработке, – в статье, опубликованной в журнале Nature.
Когда Крэйгу Крюсу впервые удалось заставить белки исчезнуть «по команде» - благодаря новому странному соединению – биохимик назвал это исчезновение «странным трюком», «забавным курьезом».
Сегодня этот забавный трюк получает инвестиции в миллиарды долларов США от крупных фармацевтических компаний, таких как Roche, Pfizer, Merck, Novartis и GlaxoSmithKline. «Я думаю, вы можете сделать вывод, что почти в каждой компании есть программы исследований в этой области», – говорит Рэймонд Дешайс, старший вице-президент по глобальным исследованиям в американской биофармацевтическая компании Amgen.
«Трюк», о котором идет речь, – а вернее, лечебная стратегия – называется целенаправленной деградацией белка. От нежелательных или поврежденных белков клетку очищает специальная молекула PROTAC, нацеленная на протеолиз (процесс гидролиза белка). Она может принимать самые разные формы.
Этот «расщепитель белка» может связываться с труднодоступными белками, до которых не могут добраться другие лекарства. Их можно использовать как эффективное средство в борьбе с белками, которые разработчики лекарств долгое время считали «неубиваемыми»: питающие рак злодеи, такие как белок MYC, или тау-белок, который собирается в сгусток при болезни Альцгеймера.
Новая область очень перспективна. В 2014 году ученые обнаружили, что леналидомид – одно из самых продаваемых в мире лекарств, которое используют в лечении миеломы, – работает аналогично расщепителям белков: препарат буквально «прожевывает» два ранее неприкасаемых белка.
Тем не менее, в этой области отсутствуют опубликованные данные, подтверждающие, что PROTAC и другие аналогичные соединения могут привести к исчезновению вредных белков. И все еще существуют вопросы о том, где и как эти странно выглядящие молекулы будут работать в организме.
Сейчас ведущей компанией, которая работает в новом направлении, считается Arvinas, биотехнологическая компания в Нью-Хейвене (США, штат Коннектикут) которую основал Крейг Крюс. Его команда планирует вскоре начать тестирование PROTAC на рак предстательной железы, и попробовать атаковать белок, на который, однако, успешно воздействуют и другие лекарства. «Мы близки к доказательству того, что эти PROTAC могут быть лекарственными препаратами», – говорит Ян Тейлор, старший вице-президент по биологии в Arvinas.
«Академическое упражнение»
На картинках PROTAC часто изображают как гантели. Они представляют собой молекулы, состоящие из двух концов, соединенных тонким тросом. Основная сила сосредоточена на краях «гантелей». Один цепляет вредный белок, а другой захватывает убиквитинлигазу – «винтик» естественной системы утилизации мусора клетки, которая маркирует дефектные или поврежденные белки, нанося на них другой – небольшой – белок под названием убиквитин. Эти «убиквитиновые метки» действуют как своего рода наклейки «Пожалуйста, уберите», которые сигнализируют белковому «шредеру» – протеасоме – делать свое дело.
Просто объединяя лигазу и «вредный» белок, PROTAC гарантирует, что цель будет помечена для уничтожения. Лигазы эффективны, а убиквитин находится в изобилии, поэтому одна молекула PROTAC должна многократно выполнять свою функцию очистки клетки и много раз ловить поврежденные белки. При этом для сильной активности должно уходить небольшое количество препарата.
Первое из известных опубликованных описаний молекулы, подобной PROTAC, дано в заявке на патенте, которую подали в 1999 году два ученых из Proteinix, биотехнологической компании в Гейтерсберге (США, штат Мэриленд). Авторы Джон Кентен и Стивен Робертс предложили использовать систему деградации белка в клетке. Коллеги отвергли эту идею, заявив, что Кентен и Робертс усложняют открытие лекарств, пытаясь связать два белка – нежелательный белок и лигазу – одновременно.
Но на другой стороне Соединенных Штатов другая пара умов обдумывала ту же идею. Во время выездного исследовательского семинара в 1998 году на северо-западе штата Вашингтона Дешайс остановился перед плакатом Крюса, чтобы послушать, как тот говорит об использовании малых молекул для соединения двух белков. Дешайс, тогда биохимик в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене, в то время был полностью погружен в изучение убиквитинлигазы. Геном человека кодирует примерно 600 подобных ферментов-лигаз, которые должны затем «пометить» вредоносные белки. Около года назад, Дешайс вместе с Крюсом открыли три семейства белков, которые содержат 250 убиквитинлигаз.
В то время Крюс разрабатывал препарат, который действовал противоположно PROTAC. Он блокировал убиквитиновую систему в клетках, заставляя белки накапливаться до опасных уровней и в конечном итоге вызывать гибель клеток. Результат этой работы – препарат карфилзомиб (или Кипролис) – теперь используется для лечения множественной миеломы рака крови. «Я думал, что работа "наоборот" будет столь же интересной», – говорит Крюс.
Вскоре Крюс и Дешайс опубликовали статью с описанием исследования, которая показывает, что их первый PROTAC, Protac-1, успешно захватил и привел к деградации связанного с раком белка METAP2 в экстрактах из яиц шпорцевых лягушек (Xenopus).
Тем не менее, Protac-1 еще нельзя было представить как настоящие лекарство, говорит Крюс, который назвал статью «академическим упражнением». PROTAC первого поколения имели низкую активность в клетках человека, вероятно, из-за того, что соединения изо всех сил пытались проникнуть внутрь. Они полагались на большие, громоздкие пептиды, чтобы связываться с лигазами. Ученые должны были найти способ сделать средство, связывающее лигазу и белок, более похожим на лекарство. «Нечто, что могло бы стать фармацевтическим препаратом», – говорит Крюс.
Получив финансовую и исследовательскую поддержку от крупной британской фармацевтической компании GlaxoSmithKline, Крюс продвинулся вперед, ориентируясь в основном на одну конкретную лигазу, супрессор опухоли фон Хиппеля-Линдау (VHL-синдром). В 2012 году Крюс вместе с коллегами по лаборатории сообщили о том, что они нашли маленькие молекулы, которые свяжут лигазу VHL с поврежденным белком. Ученый наконец начал верить, что из PROTAC действительно можно сделать лекарство.
Охота на маленькие молекулы
Крюс не был единственным, кто гонялся за белковыми «шредерами». В 2010 году, находясь в Институте онкологии им. Дана-Фарбер (США, штат Массачусетс), биохимик Джеймс Брэднер прочитал доклад группы исследователей из Японии во главе с Хироши Хандой. Ханда пытался понять, почему печально известный препарат талидомид, одобренный в некоторых странах в конце 1950-х и начале 1960-х годов для лечения тошноты во время беременности, вызывал проблемы у новорожденных детей с развитием конечностей. (В настоящее время с помощью этого лекарства одобрено лечение множественной миеломы и кожных заболеваний.) Используя талидомид в качестве приманки для поиска белков в клетках, Ханда обнаружил, что лекарство цепляет и блокирует активность одной убиквитинлигазы – белок цереблон. Как выяснили специалисты из команды Ханда, ингибирование этого белка влияет на рост и развитие конечностей у рыбок данио и у птенцов: у рыб и птиц наблюдались такие же дефекты, что у детей, чьи матери принимали во время беременности лекарства с талидомидом.
Брэднер понял, что если талидомид связывается с убиквитинлигазой – что является не самой простой задачей, потому что такие ферменты, как известно, трудно получить, – тогда, возможно, он мог бы найти способ связать средство с той же лигазой, но нацелить его на белки, вовлеченные в заболевание. В 2013 году к команде Брэднера присоединился Бакли, и они начали поиск малых молекул, которые связываются с цереблоном.
В мае и июне 2015 года три команды – во главе с исследователями Брэднером, Чулли и Крюсом – опубликовали пять отдельных работ, описывающих маленькие молекулы PROTAC с мощной активностью, какая наблюдается у лекарственных препаратов. Крюс связал PROTAC с VHL и использовал его, чтобы снизить количество нескольких белков до менее чем 10% в тех клетках, которые еще не были обработаны препаратом. Брэднер и его коллеги связали цереблон с их молекулой PROTAC, чтобы снизить уровни белка, вызывающего рак, а Чулли и его команда в то же время разложила тот же белок, используя VHL в качестве лигазы. Белковые «шредеры» работали исправно как в клетках в чашке, так и в опухолевых клетках у мышей.
Наряду с разработкой лекарственных «уничтожителей» белка, похожих на лекарства, команды Крюса и Брэднера создали две системы – HaloPROTACs10 и dTAG12, соответственно, – которые позволяют исследователям применить метод деградации белка в качестве инструмента в лаборатории, используя генетические метки для маркировки белков, которые нужно разрушить в культивируемых клетках и у мышей. С помощью dTAG «вы можете истощить белок за считанные минуты или часы и следить за тем, что происходит, – говорит Бехнам Набет, химический биолог, руководивший разработкой системы вместе с Натанаэлем Грей в Институте рака им. Дана-Фарбер. – Это дает вам большие возможности для изучения онкогенов, киназ и белков, которые обладают очень быстрой активностью». Материалы dTAG в настоящее время находятся в свободном доступе: более 150 академических лабораторий используют образец препарата, чтобы исследовать эффекты истощения определенных белков в клетках, говорит Набет.
Брэднер, покинувший Дана-Фарбер в 2016 году, чтобы стать президентом Института биомедицинских исследований Novartis, оценивает, что около 30 отдельных инструментов уже включают эту технологию.
Золотая лихорадка
После резкого взлета популярности низкомолекулярных PROTAC в 2015 году Дешайc написал статью с мнением о том, что PROTAC обладает потенциалом стать основным новым классом лекарств, который может превзойди две самые горячие области разработки лекарств всех времен – ингибиторы протеинкиназы (противоопухолевые средства) и моноклональные антитела. «Золотая лихорадка началась!» – писал в то время ученый.
С тех пор, по словам Дешайса, лихорадка только усилилась. Он присоединился к Amgen в 2017 году и теперь курирует работу компании в области PROTAC.
По словам Тейлора, в исследовании Arvinas, которое должно начаться к середине 2019 года, будут участвовать 28–36 мужчин с метастатическим раком предстательной железы, и оно продлится около девяти месяцев. Во время исследования ученые протестируют новый класс лекарств с молекулой PROTAC, которая разрушает андрогеновый рецептор, белок, на который уже ранее было нацелено несколько одобренных лекарств. Компания надеется, что, именно разлагая, а не подавляя рецептор, ее PROTAC сможет лечить людей, которые стали уже не испытывают пользы от существующих лекарств. И если кандидат преуспеет, у этой области, наконец, появятся клинические данные. Arvinas покажет, что PROTAC может быть лекарством.
Это очень важно, потому что было много сомнений в том, могут ли белковые деструкторы работать в организм человека. Полностью собранные PROTACs нарушают общепринятые практические правила для лекарств. Главным среди них является размер. Хороший низкомолекулярный препарат обычно имеет массу менее 500 дальтон. Текущие молекулы PROTAC весят более 1000 дальтон. Тем не менее, молекулы все еще могут проникать в клетки. Как считает Крюс, это происходит потому, что молекула, вероятно, распознается клеточной мембраной как две меньшие молекулы, которые оказываются связанными вместе, а не как одна большая.
Еще одно преимущество PROTAC. Большинству низкомолекулярных лекарств или моноклональных антител необходимо взаимодействовать с активным участком фермента или рецептора, чтобы выполнить свою работу. Но у 80% белков в клетках человека нет такого участка. PROTAC же могут схватить белок в любом месте, за любую трущинку – им не нужно сидеть в «активном кармане», чтобы работать.
Уже есть некоторые доказательства в поддержку этого свойства. В прошлом году команда из Института исследования рака в Лондоне создала небольшую молекулу, которая может связываться с регулятором транскрипционного фактора, у которого не имеет активного участка. Ученые смогли создать мощный PROTAC, прикрепив связующее вещество для убиквитинлигазы цереблона.
В этой области до сих пор отсутствуют опубликованные данные о молекуле PROTAC, которая может нацеливаться на важный, не поддающийся воздействию лекарств, белок и разрушить его. Команда Arvinas утверждает, что у нее есть in vivo доказательства того, что молекулы PROTAC разлагают тау-белок в мозге мышей. На своем веб-сайте компания сообщает, что инъекция с молекулой, разлагающей тау, непосредственно в гиппокамп мыши снижает уровень этого белка на 50%.
Разрабатывая PROTAC для целого ряда заболеваний, в том числе тех, которые поражают мозг, многие исследователи надеются показать, что технология «независима от терапевтической области» (по выражению Тейлора). Различные группы также работают над расширением пула лигаз, которые могут набирать белковые «разрушители». В настоящее время используются только четыре основных из них, в том числе VHL и цереблон, и более широкий спектр доступных лигаз может позволить разработчикам лекарств сопоставить наиболее эффективную комбинацию лигаза-PROTAC с их типом клеток или интересующим белком. «Потенциально любую лигазу можно схватить с помощью этого подхода», – говорит Чулли, который сотрудничает с немецкой фармацевтической компанией Boehringer Ingelheim в разработке PROTAC.
Опираясь на новые цели, улучшение возможностей PROTAC и предстоящее клиническое испытание, исследователи готовы доказать, что «расщепители» белка могут быть чем-то большим, чем просто «трюк». Все дело только во времени», – говорит Чулли.
Megan Scudellari
[Иллюстрации: David Parkins, Nature]
