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Proteina c-Abl chinasi |
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Molecola del mese di luglio 2023 Gli enzimi proteina-chinasi sono diventati un bersaglio per i nuovi farmaci antitumorali  IntroduzioneI ricercatori hanno capito da tempo che gli enzimi proteina-chinasi possono essere dei bersagli ideali per le terapie antitumorali perchè hanno un ruolo centrale in tutti gli aspetti del metabolismo cellulare, sono regolati in modo preciso e ogni alterazione della loro regolazione può portare allo sviluppo di tumori o di altre malattie. Le nostre cellule, però, possiedono molti tipi di chinasi simili che hanno siti di legame per l'ATP molto simili e questo ha indotto i ricercatori, per un certo tempo, a trascurare questi enzimi come bersagli nelle terapie antitumorali, perché credevano che le loro somiglianze avrebbero portato i farmaci a colpire più chinasi contemporaneamente causando troppi effetti collatereali. Le strutture hanno aperto la strada Fortunatamente, ulteriori studi fatti con le nuove tecniche di biochimica strutturale hanno dimostrato che queste osservazioni iniziali erano false. Quando sono state determinate le strutture delle varie proteina-chinasi, si è scoperto che le loro tasche di legame dell'ATP sono abbastanza diverse una dall'altra e consentono di progettare dei farmaci selettivi che calzano con precisione nella tasca. La scoperta del farmaco antitumorale imatinib è stato il primo straordiario successo di questo nuovo approccio. Da allora sono state progettate molte altre piccole molecole capaci di inibire selettivamente vari tipi di proteina chinasi, la maggior parte di queste molecole è stata sviluppata usando la tecnica della progettazione del farmaco guidata dalla struttura del bersaglio. Disordinata ma funzionale Il bersaglio dell'imatinib è c-Abl, un enzima proteina-chinasi che trasferisce selettivamente un gruppo fosfato dall'ATP alla tirosina. Qui a lato è mostrata la struttura molecolare ricostruita al computer della proteina c-Abl completa (file PDB AF_AFP00519F1). La sua struttura è complessa ed è costituita da molte parti funzionali. Due regioni hanno una struttura stabile e ben definita che è stata studiata in dettaglio con la cristallografia a raggi X e con la spettroscopia NMR, si tratta del dominio regolatorio con SH2 e SH3 unito al dominio di chinasi (file PDB 1opl) e del dominio che lega F-actina (file PDB 1zzp) e che ancora l'enzima al citoscheletro. Queste due regioni sono collegate da un segmento disordinato e flessibile. Sul dominio regolatorio vi è anche una coda flessibile, chiamata regione cappuccio, che termina con un gruppo miristoile, cioè una molecola di acido miristico, un acido grasso di 14 carboni. La regione cappuccio permette alla proteina di autoregolarsi perchè può inibire l'azione catalitica della proteina e così ne regola la funzione. Nello stato inattivo, il gruppo miristoile si lega ad una tasca del dominio di chinasi e induce la proteina a cambiare conformazione associando tra loro i domini di chinasi e di regolazione SH2 e SH3 e impedendo così ogni attività catalitica. Per attivare la proteina deve intervenire un segnale esterno alla cellula che interagisce con il dominio regolatorio di c-Abl e induce il dominio di chinasi a rilasciare il gruppo miristoile liberando il sito attivo e consentendo all'enzima di iniziare a fosforilare il suo specifico substrato. Una trasposizione cancerosa  Il
funzionamento dell'enzima c-Abl tirosina chinasi può essere compromesso
da una mutazione genetica che provoca la leucemia mieloide cronica (CML),
un cancro delle cellule staminali del midollo osseo. La causa della CML è uno scambio di materiale genetico che può avvenire durante la duplicazione cellulare e produce un cromosoma anomalo conosciuto come cromosoma Filadelfia (dal nome della città nella quale è stato scoperto). Questo cromosoma alterato si forma quando vi è uno scambio di materiale genetico tra il cromosoma 9 e il cromosoma 22. Il gene c-Abl del cromosoma 9 si sposta e si fonde con una parte del gene Bcr che è rimasto sul cromosoma 22. Il gene risultante è chiamato Bcr-Abl, è più grande di quello originale e produce una proteina diversa. Poichè questa proteina mutata è priva del cappuccio autoinibitorio, è sempre attiva anche in assenza dei normali segnali cellulari di attivazione. La proteina mutata Bcr-Abl iperattiva stimola in continuazione la divisione cellulare. Questa proteina, inoltre, previene l'apoptosi, il processo naturale di morte cellulare programmata che dovrebbe essere un freno alla proliferazione delle cellule tumorali. La produzione incontrollata di cellule del sangue immature e parzialmente funzionanti provocata dalla proteina mutata Bcr-Abl ha effetti devastanti sulle persone che hanno la CML e può progredire fino a diventare una leucemia linfoblastica acuta. Il trattamento con imatinib (mostrato qui sotto), o uno degli altri farmaci inibitori della Bcr-Abl approvati dalla FDA (dasatinib, nilotinib), ha aumentato dell'85% la sopravvivenza dei pazienti dopo 10 anni. Ora, molti pazienti con la CML hanno un'aspettativa di vita paragonabile a quella delle persone sane. . . . . . . . . .   Esplorando
la strutturaIl farmaco imatinib blocca il sito di legame dell'ATP nel dominio di chinasi di c-Abl e così ne blocca l'attività enzimatica. Come si vede nelle due figure in alto qui a lato, sono molte le regioni della chinasi importanti per la sua azione e per rendere efficace l'inibizione con imatinib. La regione che lega imatinib (file PDB 2hyy) è la stessa che lega il normale substrato ATP o ADP (file PDB 2g2i). Il segmento di attivazione, che controlla l'ingresso al sito attivo, contiene una tirosina (blu) che può essere fosforilata, ma può trovarsi sotto o sopra la molecola contenuta nel sito attivo a seconda che questa sia imatinib (l'inibitore) o ADP (il normale sustrato). Un altro amminoacido critico è la treonina (gialla) chiamata gatekeeper che controlla l'ingresso al sito attivo. Infine vi è una sequenza DFG cioè acido aspartico, fenilalanina, glicina che nella struttura inibita con imatinib è ruotata di 180° rispetto alla forma non inibita e questo dimostra l'efficacia del farmaco nell'alterare la struttura della proteina. Per la verità, il farmaco imatinib non si è dimostrato selettivo in modo perfetto, però questo fatto, che poteva essere un difetto, si è rivelato, per puro caso, un vantaggio. Imatinib, infatti, inibisce anche un'altra chinasi, c-Kit (file PDB 1t46), una oncoproteina tirosina-chinasi che causa il tumore stromale gastrointestinale (GIST). Come si vede qui in fianco, le due proteine c-Kit e c Abl sono molto simili, per questo imatinib è efficace con entrambe. Spunti per ulteriori esplorazioni Per esaminare meglio i domini di chinasi e di regolazione visitate la 3D protein structure view Imatinib è efficace come inibitore per una serie di chinasi che includono la tirosina chinasi della milza (Syk) che è coinvolta nella segnalazione dell'immunorecettore delle cellule ematopoietiche. Imatinib inibisce Syk costringendola ad assumere una insolita conformazione a forma di U come si vede nel file PDB 1xbb.  BibliografiaCohen, P., Cross, D., & Jänne, P. A. (2021) Kinase drug discovery 20 years after imatinib: progress and future directions. Nat Rev Drug Discovery 20, 551-569. Westbrook, J. D., Soskind, R., Hudson, B. P., & Burley, S. K. (2020) Impact of the Protein Data Bank on antineoplastic approvals. Drug Discovery Today, 25, 837-850. Reckel, S., Gehin, C., Tardivon, D., Georgeon, S., Kükenshöner, T., Löhr, F., Koide, A., Buchner, L., Panjkovich, A., Reynaud, A., Pinho, S., Gerig, B., Svergun, D., Pojer, F., Güntert, P., Dötsch, V., Koide, S., Gavin, A. C., & Hantschel, O. (2017) Structural and functional dissection of the DH and PH domains of oncogenic Bcr-Abl tyrosine kinase. Nat Commun 8, 1-14. Hari, S. B., Perera, B. G. K., Ranjitkar, P., Seeliger, M. A., & Maly, D. J. (2013) Conformation-selective inhibitors reveal differences in the activation and phosphate-binding loops of the tyrosine kinases Abl and Src. ACS Chem Biol 8, 2734-2743. 2HYY: Cowan-Jacob, S. W., Fendrich, G., Floersheimer, A., Furet, P., Liebetanz, J., Rummel, G., Rheinberger, P., Centeleghe, M., Fabbro, D., & Manley, P. W. (2006) Structural biology contributions to the discovery of drugs to treat chronic myelogenous leukaemia. Acta Cryst D Biol Crystallog 63, 80-93. 2G2I: Levinson, N. M., Kuchment, O., Shen, K., Young, M. A., Koldobskiy, M., Karplus, M., Cole, P. A., & Kuriyan, J. (2006) A src-like inactive conformation in the ABL tyrosine kinase domain. PLoS Biol 4, e144. Nagar, B., Hantschel, O., Seeliger, M., Davies, J. M., Weis, W. I., Superti-Furga, G., & Kuriyan, J. (2006) Organization of the SH3-SH2 unit in active and inactive forms of the c-Abl tyrosine kinase. Molecular Cell 21, 787-798. 1ZZP: Hantschel, O., Wiesner, S., Güttler, T., Mackereth, C. D., Rix, L. L., Mikes, Z., Dehne, J., Görlich, D., Sattler, M., & Superti-Furga, G. (2005) Structural basis for the cytoskeletal association of Bcr-Abl/c-Abl. Mol Cell 19, 461-473. 1XBB: Atwell, S., Adams, J. M., Badger, J., Buchanan, M. D., Feil, I. K., Froning, K. J., Gao, X., Hendle, J., Keegan, K., Leon, B. C., Müller-Dieckmann, H. J., Nienaber, V. L., Noland, B. W., Post, K., Rajashankar, K. R., Ramos, A., Russell, M., Burley, S. K., & Buchanan, S. G. (2004) A novel mode of Gleevec binding is revealed by the structure of spleen tyrosine kinase. J Biol Chem 279, 55827-55832. 1T46: Mol, C. D., Dougan, D. R., Schneider, T. R., Skene, R. J., Kraus, M. L., Scheibe, D. N., Snell, G. P., Zou, H., Sang, B.-C., & Wilson, K. P. (2004) Structural basis for the autoinhibition and STI-571 inhibition of c-kit tyrosine kinase. J Biol Chem 279, 31655-31663. 1OPL: Nagar, B., Hantschel, O., Young, M. A., Scheffzek, K., Veach, D., Bornmann, W., Clarkson, B., Superti-Furga, G., & Kuriyan, J. (2003) Structural basis for the autoinhibition of c-Abl tyrosine kinase. Cell 112, 859-871. Xun, Z., Saghi, G., Harvey, L., Malashkevich, V. N., & Kim, P. S. (2002) Structure of the Bcr-Abl oncoprotein oligomerization domain. Nat Struct Biol 9, 117-120. |
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