Ученые все больше убеждаются в том, что при раке и других заболеваниях важнейшее значение имеет упаковка ДНК, в частности то, как эта «супермолекула», имеющая в раскрученном и растянутом состоянии длину около двух метров, аккуратно сворачивается и уплотняется внутри ядра клетки.

Молекулярные сигналы, управляющие упаковкой ДНК, имеют решающее значение для активации и подавления генов в организме человека – процесса, обычно называемого эпигенетикой.

Группа исследователей из Университета Калифорнии – Сан-Диего (UCSD) и Университета Павии (University of Pavia), Италия, с помощью высокопроизводительных компьютеров Суперкомпьютерного центра Сан-Диего (San Diego Supercomputer Center, SDSC) установила химическую структуру – в статичной кристаллической форме и в динамике – одного из таких сигналов, лежащего в основе целого ряда морфологических событий, включая быстрое перемещение клеток в период эмбрионального развития, заживления ран и при раке.

Результаты исследования предполагают возможность нового пути борьбы с метастатическим раком – блокирования этого эпигенетического сигнала, который, как оказалось, подавляет активность гена, ответственного за адгезию, «молекулярное склеивание» клеток, и включает, таким образом, «зеленый свет» для распространения раковых клеток.

«Наше исследование позволяет понять молекулярное взаимодействие и динамику, которые могут быть использованы в качестве мишеней для эпигенетических препаратов, способных, мы надеемся, привести в будущем к созданию мощных противораковых средств», – говорит профессор фармакологии UCSD Дж. Эндрю Мак-Кэммон (J. Andrew McCammon), заведующий кафедрой теоретической химии, а также научный сотрудник Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute).

Профессор Дж. Эндрю Мак-Кэммон
(J. Andrew McCammon).
(Фото: mccammon.ucsd.edu)

Исторически сложилось так, что ученые, занимающиеся изучением рака, как правило, концентрируют свое внимание на генетических мутациях – специфических изменениях в ДНК, влияющих на функции кодируемых ими белков. Исследования в этой области в конечном итоге привели к разработке нескольких целевых препаратов, основанных на этом подходе. Но лечение многих форм рака остается недостаточно эффективным, побуждая искать другие, новые, подходы. В частности, некоторые ученые обратились к эпигенетике и процессам, активирующим или подавляющим гены путем изменения физической структуры ДНК, то есть оставляющим ее «послания» и последовательности нетронутыми.

«Мощный потенциал эпигенетической терапии пока далек от использования», – говорит Риккардо Барон (Riccardo Baron), постдокторант лаборатории Мак-Кэммона и первый автор статьи, опубликованной в февральском номере журнала Structure. «Очень мало сделано в плане его фармакологического использования и исследования, подобные нашему, – начало этого пути. Вычислительные технологии в химии очень перспективны для проектирования новых экспериментов и будущей разработки лекарственных препаратов».

Чтобы аккуратно упаковать в ядре длинную цепочку ДНК, клетки полагаются на белки, известные как гистоны. ДНК плотно накручивается на гистоны, образуя нуклеосомы – часто сравниваемые с «бусинами на нитке», которые, скручиваясь, образуют хроматин – основную структурную единицу хромосомы. С ДНК не происходит никаких изменений до тех пор, пока ее либо активируют, либо подавляют специальные ферменты, ответственные за экспрессию генов.

Одним из таких ферментов, к которому в последнее время проявляется повышенное внимание, является лизин-специфическая деметилаза 1 (lysine-specific demethylase 1), или LSD1 (не путать с галлюциногеном!). В частности, в 2004 году ученые из Гарвардского университета (Harvard University) и Университета Павии установили, что LSD1 – особенно при связывании с другим белком, известным как CoREST – удаляет одну или более метильных групп, связанных с аминокислотой лизином гистона 3 в области, выступающей из глобулярного ядра, известной как N-терминальный хвост. В результате ДНК прекращает экспрессировать определенные гены.

В исследовании, опубликованном в прошлом году группой из Университета Кентукки (University of Kentucky), было установлено, что комплекс LSD1-CoRest работает в тандеме с ферментом SNAIL1. Вместе они выключают ген, кодирующий белок E-cadherin, считающийся «молекулярным клеем», способствующим адгезии клеток. Если экспрессия этого гена подавлена, раковые клетки могут распространяться, что является признаком метастазирования.

Молекулярно-динамическая модель показывает, что молекулы кислорода достигают активного сайта
лизин-специфической деметилазы 1 несмотря на связывание субстратных пептидов
(хвоста гистона H3 – черный, белка SNAIL1 – оранжевый).
(Фото: Riccardo Baron et al., UC San Diego)

Фермент SNAIL1, главный регулятор процесса эпителиально-мезенхимального перехода (epithelial-mesenchymal transition, EMT), лежащего в основе многих морфологических событий, был обнаружен в больших количествах в сыворотке пациентов с несколькими видами рака, включая рак молочной железы и некоторые формы лейкемии.

Частично основываясь на этой работе, ученые из UCSD и Университета Павии попытались точно установить, как именно и где этот ферментный комплекс связывается с SNAIL1 и почему LSD1-CoREST избирательно связывается и рекрутируется, прежде всего, этим ферментом.

Составной частью их исследования был анализ кристаллической структуры связанного с ферментом SNAIL1 комплекса LSD1-CoREST методом рентгеновской дифракции. Полученный снимок показал, что комплекс LSD1-CoRest прочно связывается с областью молекулы SNAIL1, очень напоминающей N-терминальный хвост гистона, имитирующей активный сайт этого гистона.

«Снимок продемонстрировал, как LSD1 узнает и различает специфические белки в переполненной внутриклеточной среде и почему комплекс LSD1 связывается с SNAIL 1», – говорит руководитель исследования Андреа Маттеви (Andrea Mattevi).

Хотя и информативные, структуры, полученные методом рентгеноструктурного анализа, дают только статичную картину молекулярной активности в определенный момент времени. Чтобы узнать больше о взаимодействии ферментного комплекса с его мишенью в динамике, ученые использовали компьютерные программы, имитирующие изменения структуры белков во времени. Сложность вычислений, необходимых для таких имитаций, такова, что им часто приходилось обращаться к суперкомпьютерам.

Эксперименты позволили получить ключевые фотографии этого процесса на молекулярном уровне, на основе которых были созданы динамические компьютерные модели с временным разрешением в несколько наносекунд. Такие динамические молекулярные модели позволяют, например, прогнозировать путь отдельных молекул кислорода к активному сайту LSD1.

Особо следует отметить, что исследователи с пикосекундным разрешением изучили движение комплекса LSD1-CoREST в процессе его связывания с SNAIL1 и изменения – на атомном уровне – вытекающие из этой активности. Динамические модели показывают, что кислород может продолжать связываться с активным сайтом фермента, даже когда он связан с хвостом гистона, позволяя ферменту выполнять его задачу по деметилированию без необходимости разрыва связи с его мишенью.

«В целом, эти наблюдения и полученные данные имеют важнейшее значение для понимания того, какой из этих процессов является наиболее перспективной мишенью для будущих лекарственных препаратов», – комментирует результаты работы Маттеви. «Мишенями для мощных препаратов могут стать как разрыв связи LSD1, так и доступ к активному сайту молекул кислорода».

Группа Маттеви в Павии недавно продемонстрировала, что ингибиторы фермента LSD1 и близкого к нему LSD2 значительно усиливают активность химиотерапевтического вещества ретиноевой кислоты при лечении острого промиелоцитарного лейкоза. Кроме того, недавно ученые установили, что перспективными кандидатами на роль высокоспецифичных ингибиторов LSD1 и LSD2 являются известные антидепрессантные препараты – ингибиторы ферментов с похожими активными сайтами – моноаминоксидазы А и Б.

Риккардо Барон сейчас занят созданием независимой исследовательской группы, которая сфокусирует свое внимание на разработке эпигенетических лекарственных препаратов и ингибиторов LSD1 и LSD2, основываясь на вычислительных методиках, разработанных лабораторией Мак-Кэммона.

Аннотация к статье Molecular Mimicry and Ligand Recognition in Binding and Catalysis by the Histone Demethylase LSD1-CoREST Complex