Белковый «тормоз» может помочь в разработке новых методов лечения рака

Некоторые раковые опухоли захватывают белки, которые действуют как «тормоза» на нашу иммунную систему, и используют их для создания своего рода щита от иммунного распознавания. Были созданы методы иммунотерапии, которые отключают эти «тормоза» и позволяют нашему организму атаковать чужеродные раковые клетки.

Для дальнейшего продвижения таких методов лечения исследователи из Стэнфордского университета и Нью-Йоркского университета опубликовали новую структуру одного из этих тормозных белков, LAG-3. Их работа содержит ключевые детали структуры молекулы, а также информацию о том, как функционирует белок LAG-3.

Хотя более дюжины иммунотерапевтических препаратов, нацеленных на LAG-3, находятся в стадии разработки, и один из них уже одобрен FDA, знания о структуре и функциях LAG-3 остаются неполными.

«Учитывая количество времени и ресурсов, затрачиваемых на разработку терапевтических средств, нацеленных на LAG-3, поразительно, что у нас еще нет полного понимания того, как функционирует этот белок», — сказала Дженнифер Кокран, профессор Адди и Эла Маковски в Инженерной школы, профессор биоинженерии и состарший автор исследования, подробно описывающего LAG-3, опубликованного в Труды Национальной академии наук.

Получение четкого изображения белка может показаться не такой уж сложной задачей, но когда дело касается белков, форма часто порождает функцию. Если вы знаете, как выглядит белок на атомном уровне, вы можете начать понимать, как он взаимодействует с другими молекулами, и провести эксперименты, чтобы понять, как он работает. Подобные исследования имеют решающее значение для разработки лекарств, которые могут оптимально блокировать функцию своей мишени.

Ключевая структура

Белки типа LAG-3, называемые иммунные контрольно-пропускные пункты, существуют для того, чтобы не дать нашей иммунной системе атаковать то, чего ей не следует делать. Теоретически наша иммунная система должна естественным образом распознавать опухолевые клетки как чужеродные. Но белковый щит контрольно-пропускного пункта может защитить от рака.

Современные методы иммунотерапии — это не химические препараты, а изготовленные в лаборатории антитела, которые прикрепляются к определенным частям этих контрольных точек и, по сути, отключают их. Как только контрольно-пропускной пункт отключен, наша иммунная система может снова распознать рак и нацелиться на него.

Уже одобрены методы лечения антителами, нацеленными на два белка контрольных точек: CTLA-4 и PD-1. Оба выключают нашу иммунную систему, но по-разному. Поскольку CTLA-4 и PD-1 были первыми обнаруженными белками контрольных точек, они достаточно хорошо изучены, и существуют различные подходы к их ингибированию. терапия рака принесли ученым Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2018 года.

ЛАГ-3, кажется, работает совершенно по-другому. Ученые надеются, что эти различия могут сделать его лучшей или дополнительной мишенью для лечения определенных типов рака, сказал Джек Зильберштейн, доктор философии по иммунологии из Стэнфорда. студент, который руководил работой.

Из-за этого Зильберштейн сказал: «В этой области царило такое волнение. Группы бросились создавать антитела против LAG-3, не зная до конца, как функционируют LAG-3 или эти антитела».

Зильберштейн и его коллеги, в том числе сотрудники Стэнфордского центра знаний о макромолекулярной структуре ChEM-H и Национальной ускорительной лаборатории SLAC, начали работать над структурой LAG-3 в 2019 году. Структура LAG-3 была опубликована другой группой в 2022 году, что дает первое представление о структуре LAG-3. белка, но ему не хватало важных деталей вокруг молекулы сахара которые являются ключом к функции LAG-3, а также подробную информацию о том, как структура LAG-3 связана с его биологической активностью.

Кропотливый процесс

Когда Зильберштейн впервые начал этот проект, «я быстро понял, почему не было опубликованной структуры. С этим белком чрезвычайно сложно работать».

А метод, который Зильберштейн использовал для получения структуры, называемый рентгеновской кристаллографией, чрезвычайно привередлив. Сначала Зильберштейну пришлось вырастить кристалл, полностью состоящий из белка LAG-3. Затем в сотрудничестве с Иримпаном Мэтьюзом из Национальной ускорительной лаборатории SLAC они обстреляли кристалл рентгеновскими лучами, чтобы создать трехмерное изображение молекулы.

LAG-3 — это веретенообразный, гибкий белок, поэтому сложно заставить молекулы складываться упорядоченным образом. По оценкам Зильберштейна, он создал более 10 000 кристаллов, из которых 3 000 были подвергнуты рентгеновскому облучению, прежде чем команда наконец расшифровала структуру.

«Это была очень напряженная работа, требующая упорных усилий в течение трех лет, типа «биться головой о стену», — сказал Зильберштейн.

Но это принесло свои плоды. Структура команды подтвердила, что LAG-3 существует в виде димера, в котором две молекулы LAG-3 собираются вместе, образуя белок функциональной контрольной точки. Остаток сахара, который был неуловим в предыдущих структурных исследованиях, является ключевым элементом интерфейса димера LAG-3 и помогает способствовать различной ориентации белка LAG-3.

Описав описанную структуру, коллеги из Нью-Йоркского университета, в том числе MD, Ph.D. Студент Джаспер Ду и доцент кафедры патологии Цзюнь Ван совместно провели критические эксперименты, дополнительно выясняющие функцию LAG-3. Другие коллеги из Нью-Йоркского университета, в том числе Кун-Вей Чан и Сян-Пэн Конг, помогли провести исследования с помощью электронной микроскопии, чтобы подробно изучить нарушение образования димеров антителами LAG-3.

Дополнительная работа группы впервые показала, что антитело, которое использовалось в течение почти 20 лет для демонстрации терапевтической эффективности на моделях опухолей животных, блокирует активность LAG-3 путем связывания с поверхностью раздела между двумя молекулами LAG-3. , препятствуя образованию функционального димера LAG-3. Любопытно, что антитела LAG-3, находящиеся в стадии клинической разработки, связываются с другими областями белка, находящимися вдали от этого димерного интерфейса.

Никогда не будет только одного «лекарства», потому что все виды рака различны и включают в себя множество различных биохимических путей. Зильберштейн и Кокран видят будущее, в котором будет использоваться множество хирургических, химических и иммунологических подходов к лечению, основанных на фундаментальных научных открытиях и медицинских инновациях. Дополнительные методы лечения, нацеленные на LAG-3, вполне могут быть частью этой картины.