Sitios alostéricos mapeados en proteínas clave del cáncer

Investigadores del Centro de Regulación Genómica y el Instituto Wellcome Sanger han identificado exhaustivamente los sitios de control alostérico que se encuentran en la proteína KRAS, que es uno de los genes mutados con mayor frecuencia en muchos tipos de cáncer. Los científicos utilizaron una tecnología conocida como escaneo mutacional profundo para cuantificar el impacto de más de 26.000 mutaciones en el plegamiento de KRAS y su unión a seis socios de interacción.

Los sitios de control alostérico de KRAS representan objetivos potencialmente clave para el desarrollo de fármacos, y los nuevos hallazgos podrían señalar vulnerabilidades que pueden explotarse para controlar los efectos de esta importante causa de cáncer. Los investigadores dijeron que su estudio también presenta el primer mapa de control completo para cualquier proteína.

“El gran desafío en medicina no es saber qué proteínas causan enfermedades sino cómo controlarlas”, dijo el profesor de investigación ICREA Ben Lehner, PhD, en el Centro de Regulación Genómica y el Instituto Wellcome Sanger. “Nuestro estudio representa una nueva estrategia para atacar estas proteínas y acelerar el desarrollo de fármacos para controlar su actividad. La naturaleza de apuntar a sitios alostéricos significa que los medicamentos resultantes probablemente sean tratamientos más seguros y efectivos que los que tenemos ahora”.

Lehner es el autor principal del artículo publicado por el equipo en Naturaleza titulado, “El panorama energético y alostérico para la inhibición de KRAS.” En su artículo, el equipo afirmó: “Hemos presentado aquí el primer mapa global de sitios alostéricos inhibidores para cualquier proteína y el primer mapa comparativo integral de los efectos de las mutaciones en las energías libres de unión de una proteína a múltiples socios de interacción. El conjunto de datos constituye >22.000 mediciones de energía libre, lo que es un rico recurso para la biofísica de proteínas y la biología computacional”.

La GTPasa KRas (KRAS) está mutada en 1 de cada 10 cánceres humanos, incluido aproximadamente el 90% de los adenocarcinomas de páncreas, aproximadamente el 40% de todos los adenocarcinomas colorrectales y el 35% de los adenocarcinomas de pulmón, explicaron los autores. Descubierta en 1982, KRAS también ha sido llamada la proteína “Estrella de la Muerte” debido a su forma esférica y la falta de un buen sitio al que apuntar con los medicamentos. Por esta razón, históricamente se ha considerado que la proteína no es farmacológica.

La única estrategia eficaz para controlar KRAS ha sido apuntar a su sistema de comunicación de alosterio. “KRAS funciona como un interruptor molecular arquetípico, alternando entre estados inactivos unidos al PIB y activos unidos al GTP”, explicaron los autores. Esta conformación y actividad alteradas de KRAS en la unión de GTP es un ejemplo de alosterio, que es, efectivamente, “la transmisión de información de largo alcance de un sitio a otro en una proteína”.

El sistema de alosterio KRAS funciona como señales moleculares que funcionan a través de un mecanismo de llave y cerradura de control remoto. Para controlar una proteína, se necesita una llave (un compuesto químico o fármaco) que pueda abrir una cerradura (sitio activo). Las proteínas también pueden verse influenciadas por un bloqueo secundario (sitio alostérico) que se encuentra en otra parte de su superficie. Cuando una molécula se une a un sitio alostérico, provoca un cambio en la forma de la proteína, lo que puede alterar la actividad de la proteína o su capacidad para unirse a otras moléculas, por ejemplo, cambiando la estructura interna de su cerradura principal.

Los sitios alostéricos suelen ser los preferidos para el desarrollo de fármacos, ya que ofrecen una mayor especificidad y reducen la probabilidad de efectos secundarios. También pueden cambiar la actividad de una proteína de manera más sutil, ofreciendo potencial para ajustar su función. Los fármacos que se dirigen a los sitios alostéricos son generalmente más seguros y eficaces en comparación con los fármacos que se dirigen a los sitios activos.

Sin embargo, los sitios alostéricos son muy esquivos. A pesar de cuatro décadas de investigación, decenas de miles de publicaciones científicas y más de trescientas estructuras publicadas de KRAS, sólo dos medicamentos han sido aprobados para uso clínico: sotorasib y adagrasib. Los fármacos actúan adhiriéndose a una bolsa adyacente al sitio activo, induciendo un cambio conformacional alostérico en la proteína que impide que se active. Como comentaron los autores, “como ocurre con muchas proteínas de importancia médica, el desarrollo de terapias contra KRAS está limitado por la falta de información sobre los sitios alostéricos inhibidores a los que atacar”.

La capacidad de generar atlas de sitios alostéricos podría acelerar en gran medida el desarrollo de fármacos, especialmente para muchas proteínas humanas que se consideran no farmacológicas debido a la falta de un sitio activo apropiado o porque funcionan a través de interfaces de interacción proteína-proteína difíciles de inhibir. Sin embargo, como señalaron además los investigadores, no se ha generado un mapa completo de sitios alostéricos para ninguna oncoproteína, objetivo de enfermedad o proteína completa en ninguna especie.

Para su estudio recientemente informado, el equipo mapeó los sitios alostéricos de KRAS mediante el uso de una técnica llamada escaneo mutacional profundo. Implicó crear más de 26.000 variaciones de la proteína KRAS, cambiando sólo uno o dos aminoácidos (aa) a la vez. “En total, la biblioteca consta de >26.500 variantes de KRAS, incluidas >3.200 sustituciones de aa simples y >23.300 sustituciones de aa dobles”, escribieron. El equipo comprobó cómo estas diferentes variaciones de KRAS se unen a otras seis proteínas, incluidas aquellas críticas para que KRAS cause cáncer. “Cuantificamos la unión de las >26.000 variantes de KRAS a seis socios de interacción: las tres proteínas efectoras de KRAS RAF1, PIK3CG y RALGDS, el GEF SOS1 y dos DARPins, K27 y K55, moléculas sintéticas similares a anticuerpos seleccionadas para unirse al GDP- y KRAS unido a GTP, respectivamente”. Primero se centraron en cuantificar la unión de las variantes de KRAS al dominio de unión a RAS (RBD) de la oncoproteína efectora RAF1”, señalaron. Luego, los investigadores utilizaron software de inteligencia artificial para analizar los datos, detectar la alosteria e identificar la ubicación de sitios objetivo terapéuticos nuevos y conocidos.

La técnica reveló que KRAS tiene muchos más sitios alostéricos fuertes de lo esperado. Las mutaciones en estos sitios inhibieron la unión de la proteína a sus tres socios principales, lo que sugiere que es posible inhibir ampliamente la actividad de KRAS. Un subconjunto de estos sitios es particularmente interesante ya que están ubicados en cuatro bolsas estructurales diferentes de fácil acceso en la superficie de la proteína y representan objetivos prometedores para futuros fármacos.

Los hallazgos, observaron los científicos, validaron las cuatro bolsas superficiales de KRAS como alostéricamente activas, y las perturbaciones en todas las bolsas tuvieron grandes efectos inhibidores sobre la unión de RAF1. “Esto es un fuerte argumento a favor del desarrollo de moléculas que se dirijan a los cuatro bolsillos como posibles inhibidores de KRAS”. Los autores destacaron uno de estos bolsillos, el “bolsillo 3”, como particularmente interesante. Este bolsillo está situado lejos del sitio activo de KRAS y, por lo tanto, hasta ahora ha recibido muy poca atención para el desarrollo terapéutico, reconocieron. “Sin embargo, nuestros datos revelan que el bolsillo 3 es alostéricamente activo, con 20 mutaciones en 6 residuos en el bolsillo 3 que inhiben la unión a RAF1”.

Los investigadores también descubrieron que pequeñas alteraciones en KRAS pueden cambiar drásticamente su comportamiento con sus socios, haciendo que la proteína prefiera una a otra. Esto tiene implicaciones importantes porque podría conducir a nuevas estrategias que controlen la actividad aberrante de KRAS sin obstaculizar su función normal en tejidos no cancerosos. Ahorrar las versiones normales de KRAS significa menos efectos secundarios y tratamientos más seguros y eficaces. Los investigadores también podrían utilizar este conocimiento para profundizar en la biología de KRAS y explicar cómo se comporta la proteína en diversos escenarios, lo que podría ser clave para determinar su papel en diferentes tipos de cáncer.

El coautor del estudio, André Faure, PhD, científico del Centro de Regulación Genómica, señaló además: “Llevó décadas producir un fármaco que funcionara contra KRAS, en parte porque carecíamos de herramientas para identificar sitios alostéricos a escala, lo que significaba que estábamos buscando sitios objetivo terapéuticos en la oscuridad”. En este estudio demostramos un nuevo enfoque que puede mapear sistemáticamente sitios alostéricos para proteínas completas. A los efectos del descubrimiento de fármacos, es como encender las luces y dejar al descubierto las muchas formas en que podemos controlar una proteína”.

El estudio proporciona el primer mapa completo de sitios alostéricos para cualquier proteína completa en cualquier especie. El estudio también demostró que con las herramientas y técnicas adecuadas es posible descubrir nuevas vulnerabilidades para muchas proteínas diferentes de importancia médica que históricamente se han considerado “no farmacológicas”.

“Los datos presentados aquí y en estudios recientes adicionales han revelado que los sitios alostéricos son mucho más frecuentes de lo que se cree”, afirmó el equipo. “Además, el enfoque que hemos aplicado aquí a KRAS es bastante general y puede usarse para identificar sitios alostéricos en muchas proteínas diferentes”. Los investigadores creen que el uso de su estrategia general permitirá mapear sistemáticamente los sitios reguladores a los que apuntar en muchas proteínas importantes. “Es probable que el mapeo de sitios alostéricos desempeñe un papel cada vez más importante en el desarrollo de fármacos, sentando las bases para atacar terapéuticamente proteínas que antes se consideraban ‘no farmacológicas'”, concluyeron.

“El atractivo único de nuestro método es su escalabilidad”, explicó el primer autor Chenchun Weng, PhD, investigador postdoctoral en el Centro de Regulación Genómica. “Solo en este trabajo realizamos más de 22.000 mediciones biofísicas, un número similar al total jamás realizado para todas las proteínas antes de que comenzáramos a aprovechar los notables avances en las metodologías de secuenciación y síntesis de ADN. Se trata de una aceleración enorme y demuestra el poder y el potencial del enfoque”.