Zamiast atakować receptor od zewnątrz, zaprojektowali białko, które wciska się obok niego w samą błonę komórkową. To może naprawdę sporo namieszać.
Receptor TLR4 wystaje po obu stronach błony komórkowej, ale naukowcy przez lata skupiali się głównie właśnie na tych wystających fragmentach. Zespół ze Scripps Research zaprojektował małe białko, które wsuwa się w tłuszczową błonę i wiąże TLR4 tam, gdzie receptor przez nią przechodzi. W komórkach laboratoryjnych wystarczyło to, by osłabić jeden z głównych szlaków prowadzących do reakcji zapalnej. Nie mamy jeszcze nowego leku na sepsę czy zapalenie jelit, ale badacze pokazali, iż część receptora uznawana dotąd głównie za kotwicę może być bardzo konkretnym celem terapii.
Receptor nie tylko wystaje z komórki
TLR4 jest jednym z czujników wrodzonego układu odpornościowego. Rozpoznaje m.in. lipopolisacharyd, czyli LPS znajdujący się w zewnętrznej błonie wielu bakterii Gram-ujemnych. Gdy wykryje taki sygnał, uruchamia wewnątrz komórki kaskadę reakcji, która pomaga organizmowi odpowiedzieć na infekcję.
Jednym z jej głównych elementów jest NF-KB, regulator aktywujący geny związane z odpowiedzią immunologiczną i zapalną. To mechanizm potrzebny do obrony, ale jeżeli działa zbyt mocno albo zbyt długo, zaczyna być problemem. Nadmierną aktywność TLR4 wiązano m.in. z sepsą, zapaleniem stawów i nieswoistymi chorobami zapalnymi jelit, dlatego receptor od dawna kusi farmakologów. Jednocześnie nie udało się dotąd wprowadzić na rynek zatwierdzonego przez FDA leku, który specyficznie blokowałby TLR4.
Naukowcy ze Scripps Research w nowym badaniu postanowili nie celować ani w dużą część receptora znajdującą się na zewnątrz komórki, ani w jego fragment wewnętrzny. Zainteresował ich krótki odcinek przechodzący prosto przez błonę.
W środku jest tłusto, więc jest i trudno
Błona komórkowa jest zbudowana głównie z lipidów i ma wnętrze nieprzyjazne dla większości rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek. Białka przechodzące przez błonę muszą więc mieć odpowiednio zbudowane fragmenty, które czują się dobrze właśnie w takim otoczeniu. Jest więc to naprawdę trudne miejsca dla projektowania nowych cząsteczek. Narzędzia komputerowe nauczyły się bardzo dobrze przewidywać i projektować struktury białek znajdujących się w środowisku wodnym, ale oddziaływania wewnątrz błony przez cały czas są znacznie słabiej opisane.
Jeszcze kilka lat temu przełomem było samo przewidywanie trójwymiarowego kształtu białka na podstawie jego sekwencji. Dzisiaj badacze idą dalej i coraz częściej próbują projektować od zera białka mające konkretne zadanie. Opisywaliśmy już systemy tworzące w ten sposób nowe przeciwciała. Tutaj największym problemem było, iż fragment TLR4 schowany w błonie jest głównie niepolarny i nie ma prostego, charakterystycznego motywu, którego projektowane białko mogłoby łatwo się złapać.
Komputer zaprojektował kandydatów, laboratorium zrobiło selekcję
Zespół najpierw sprawdził, czy sama błonowa część TLR4 rzeczywiście ma wpływ na działanie receptora. Fragment zawierający domenę transbłonową potrafił łączyć się z pełnym TLR4, a jego obecność zmniejszała aktywację NF-KB. To zasugerowało, iż ta część bierze udział w ustawieniu dwóch cząsteczek TLR4 względem siebie i w przekazywaniu sygnału przez membranę.
Dopiero później zaczęło się docelowe projektowanie. Programy wygenerowały różne modele małych białek zdolnych teoretycznie do przyłączenia się do helisy transbłonowej TLR4. Same przewidywania nie wystarczyły, dlatego zespół zastosował własne reguły oceniające tzw. upakowanie apolarne – mówiąc prościej, sprawdzał, jak dobrze niepolarne fragmenty dwóch białek powinny pasować do siebie w tłustym środku błony. Z dużej liczby konstrukcji wybrano dziewięć. Osiem wykazało oznaki wiązania TLR4 w żywych komórkach, trzy były szczególnie obiecujące, a najlepiej wypadło białko nazwane Design-6.
Design-6 wciska się między receptory
TLR4 aktywuje się m.in. poprzez tworzenie par. Dwie cząsteczki receptora zbliżają się do siebie, a odpowiednie ustawienie ich fragmentów przechodzących przez błonę pomaga przekazać informację z zewnątrz do wnętrza komórki. Design-6 wiąże się bezpośrednio z transbłonową częścią TLR4 i zaburza to ustawienie. Badacze pokazali, iż nie działa po prostu przez niszczenie receptora albo zmniejszanie jego ilości. Zmienia jego zdolność do przekazywania sygnału.
Po pobudzeniu komórek LPS aktywność NF-KB spadała wraz ze zwiększaniem ilości Design-6. W jednym z eksperymentów maksymalna odpowiedź sygnałowa była zmniejszona o około 47 proc. w porównaniu z kontrolą. Zależność od dawki i od dokładnej sekwencji białka przemawia za tym, iż efekt wynikał z zaprojektowanego oddziaływania z TLR4, a nie ze zwykłego zatkania błony przypadkowym tłustym peptydem.
To szalenie interesujący przykład tego, dokąd doszło komputerowe projektowanie białek. Te same możliwości potrafią dziś generować choćby nowe warianty toksycznych białek, ale tutaj zostały wykorzystane do znalezienia interakcji, której praktycznie nie dało się zaprojektować klasycznymi metodami.
Na razie to komórki w naczyniu, nie pacjent
Badacze na ten moment pracowali głównie na ludzkich embrionalnych komórkach nerki HEK, chętnie używanych w laboratoriach, bo łatwo się je hoduje i modyfikuje. Nie są jednak komórkami układu odpornościowego ani tkanką dotkniętą chorobą zapalną.
Następny krok to sprawdzenie Design-6 i podobnych cząsteczek w makrofagach, innych komórkach odpornościowych czy komórkach wątroby. Jeszcze większym problemem jest dostarczenie takiego białka do organizmu. Cząsteczka została zaprojektowana specjalnie po to, żeby dobrze czuć się w tłustej błonie, więc nie zachowuje się jak zwykły lek swobodnie rozpuszczający się we krwi.
Trzeba będzie wymyślić, jak dowieźć ją do odpowiedniej tkanki, wprowadzić do adekwatnej błony i jednocześnie nie zakłócić pracy innych białek. Do tego blokowanie TLR4 nie może być bezmyślne, bo receptor jest przecież jednym z podstawowych systemów ostrzegających organizm przed bakteriami.
Najciekawszy rezultat jest więc na razie bardziej fundamentalny niż terapeutyczny. Badacze pokazali, iż można komputerowo zaprojektować białko pasujące do bardzo trudnego celu ukrytego w samym środku błony i za jego pomocą regulować sygnał przechodzący przez receptor.
Jeżeli tę metodę uda się rozszerzyć na inne białka błonowe, to potencjalnych celów będzie znacznie więcej, niż sam TLR4. Ogromna część komunikacji komórki odbywa się właśnie przez receptory przechodzące przez błonę. Do tej pory ich zanurzony w lipidach środek był dla projektantów leków jednym z najtrudniejszych terenów. Teraz wiadomo przynajmniej, iż da się tam wejść.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
