null Rakennebiologia apuna SARS-Cov2 lääkekehityksessä

Kuva: Adobe Stock

Rakennebiologia apuna SARS-Cov2 lääkekehityksessä

Helsingin yliopiston Ville Paavilainen tutkii pienmolekyylejä, jotka saattavat estää SARS-CoV2-viruksen kopioitumisen ja sitä kautta sairastumisen COVID-19-tautiin. Nyt tiedetään, että nämä molekyylit estävät viruksen leviämistä soluviljelymalleissa ja laajempi testaus on alkamassa.

.

Kaapattuaan isäntäsolun SARS-CoV2-virus alkaa kopioitua ja muuttaa isäntäsolun virustehtaaksi. Tähän kopioitumiseen virus tarvitsee proteiineja, joita se muodostaa ihmissolun solukalvoston endoplasmisessa retikkelissä. 

Akatemiatutkija Ville Paavilaisen laboratoriossa tutkitaan solujen proteiinitasapainoa ja proteiinien eritysprosessia.  

– Solun kaikki proteiinit yhdessä muodostavat kunkin solun uniikin proteomin, joka puolestaan määrittää erilaisten solujen identiteetin ja tehtävän. Tämä proteomi on dynaaminen; kullakin hetkellä solut sekä muodostavat uusia että tuhoavat vanhoja proteiineja luoden proteiinien dynaamisen tasapainotilanteen. Proteiinitasapainon häiriintyminen on tunnettu ja tärkeä soluominaisuus ja terapeuttinen mahdollisuus sairauksissa kuten esimerkiksi syövissä, Paavilainen kertoo.

Paavilaisen laboratoriossa tutkitaan pienmolekyylejä, jotka estävät influenssa- ja zikaviruksen leviämistä ja ovat myös lupaavia ehdokkaita uuden mekanismin omaaviksi syöpälääkkeiksi. Nyt tutkijat yllättäen havaitsivat, että samat molekyylit voivat toimia lääkkeenä myös SARS-CoV2-virusta vastaan.

– Tiedämme jo nyt, että nämä pienmolekyylit tehoavat SARS-CoV2:seen soluviljelymalleissa ja eläinkokeet niiden tehon testaamiseksi ovat parhaillaan alkamassa. Lisäksi näiden molekyylien tutkimus syöpälääkkeinä on jo lähellä ihmiskokeita, joten myös SARS-CoV2 kanssa on mahdollista edetä nopeasti ihmiskokeisiin, mikäli nämä molekyylit vaikuttavat lupaavilta ja todetaan riittävän turvallisiksi. 

Tuttu molekyyli Kalifornian vuosilta

– Tämä molekyyliperhe, kotransiinit, on ollut tutkimuskohteenani jo postdoc-ajoiltani Kaliforniassa. Alun perin nämä molekyylit ovat luonnosta löytyviä puun mykoritsasienen tuottamia pienmolekyylejä. Kotransiinit löytyivät seulonnassa, jossa etsittiin inhibiittoreita eri ihmisen adheesioproteiinien ekspressiolle. Myöhemmin huomasimme, että tämä molekyyli estää proteiinien eritystä aivan ainutlaatuisella mekanismilla inhiboimalla vain osaa tuhansista erittyvistä proteiineista, Paavilainen kertoo. 

Toisin kuin perinteiset inhibiittorit, jotka estävät entsyymin aktiivisuuden, kotransiinit estävät useiden lääkekohteiden kuten membraanireseptorien muodostumisen.

Näiden tutkimusten perusteella on perustettu yritys San Franciscoon; Kezar Life Sciences kehittää kotransiineista uusia syöpäterapioita. Paavilaisen ryhmä tekee parhaillaan yhteistyötä Kezarin kanssa kotransiinien mekanismin ymmärtämiseksi ja parempien inhibiittorien kehittämiseksi.

Lääkeaihion kehittäminen perustuu rakennebiologiaan 

Rakennebiologia on molekyylibiologian haara, jossa tutkitaan biologisten makromolekyylien kuten proteiinien rakennetta ja rakenteen tunteminen auttaa ymmärtämään molekyylien toimintaa.

– Tutkimme rakennebiologian avulla niitä atomitason vuorovaikutuksia, jotka mahdollistavat tiettyjen proteiiniluokkien, kuten erittyvien proteiinien ja solukalvoproteiinien, muodostumisen. Usein näkemällä miten proteiinitasapainoon vaikuttavat tekijät vuorovaikuttavat kohdeproteiiniensa kanssa, saamme täysin uutta ymmärrystä näiden tekijöiden mekanistisesta toiminnasta ja niiden säätelystä esimerkiksi uusilla lääkeaihioilla, Paavilainen kertoo.

Rakennepohjainen lääkeainesuunnittelu tarkoittaa kaikkia rakennemäärittelyn menetelmiä, joilla saadaan atomitason kuvaa siitä, miten mahdollisina lääkeaineina toimivat pienmolekyylit vuorovaikuttavat kohdeproteiiniensa kanssa. Kun lääketieteelliset kemistit pystyvät näkemään nämä vuorovaikutukset, he voivat suunnitella uusia ja entisiä huomattavasti tehokkaampia inhibiittoreita.  

– Rakennepohjainen lääkeainesuunnittelu on mullistanut lääkemolekyylien optimoinnin verrattuna aikaan, jolloin esimerkiksi solun pintareseptorien rakenteita ei tunnettu. 

Suurta laskentatehoa tarvitaan

CSC avasi maaliskuussa priorisoidun laskentajonon COVID19-pandemian tutkimukselle ja Paavilaisen ryhmän tutkimus on hyötynyt tästä resurssista.

– Rakennebiologian menetelmä nimeltä elektronikryomikroskopia (Kryo-EM) on hiljattain mullistanut rakennebiologian tutkimuksen, mutta sen käyttö rakennepohjaisessa lääkekehityksessä on vielä uutta. Tämä menetelmä pohjaa tutkittavan molekyylin suoraan kuvantamiseen ja suurien projektiokuvajoukkojen, usein miljoonien yksittäisten kuvien, keräämiseen useiden käyttäjien kansallisissa tai kansainvälisissä kuvantamiskeskuksissa. Atomitason rakenteiden ratkaisemiseksi vaaditaan massiivista datan säilytys- ja laskentakapasiteettia, kertoo apulaisprofessori Juha Huiskonen Helsingin yliopistosta. Huiskonen on Paavilaisen yhteistyökumppani.

– Käytämme vakiintuneita ohjelmistoja, kuten Relion ja CryoSPARC, jotka on asennettu CSC:n Puhti-palvelimelle. Ensimmäiset Puhdilla määritetyt rakenteet ovat mahdollistaneet sitoutuneiden pienmolekyylien ja jopa yksittäisten vesimolekyylien interaktioiden kuvaamisen kohdeproteiinien kanssa. Mahti-supertietokone tulee mahdollistamaan jopa isommat laskentaprosessit, jotka vaaditaan proteiinien liikkeiden tutkimiseen, hän jatkaa.

– CSC:n HPC-infrastrukuurin avulla pyrimme määrittämään miten mahdolliset uudet lääkemolekyylit estävät SARS-Cov-2 proteiinien muodostumisen, Paavilainen kiteyttää. 

– Tämä työ on täydellinen esimerkki siitä, miten perustutkimus, joka pohjaa puhtaasti haluun ymmärtää fyysisten ja biologisten järjestelmien toimintaa, voi nopeasti johtaa translationaalisiin käyttötarkoituksiin, kertoo postdoc-tutkija Shahid Rehan, joka johtaa tätä SARS-Cov-2 rakennetutkimusta.


 

Lisää tästä aiheesta » Siirry sisältöihin ja uutisiin »

Tommi Kutilainen