Bilgisayar Tasarımı Protein, Enflamasyonla İlişkilendirilen Bağışıklık Reseptörüne Yeni “İlacı Bulunmayan” Bölgeye Hedefliyor

Scripps Araştırmalılar Enstitüsü’nde çalışan bilim insanları, bağışıklık reseptörü Toll-like receptor 4 (TLR4)’ün hücre zarında yer alan ve daha önce ihmal edilen transmembran bölgesine bağlanarak enflamasyon tepkilerini engelleyen küçük bir sentetik protein geliştirdi. Bilgisayar destekli yöntemlerle tasarlanan bu molekül, PNAS dergisinde yayımlanan yeni çalışmada TLR4’ün “ilaçla hedeflenmesi zor” (undruggable) olarak bilinen zar bölgesine ilk kez müdahale eden bir araç olarak öne çıkıyor. Araştırmacılar, tasarlanan proteinin hücre içindeki NF-κB sinyal yolunu belirgin şekilde baskılayabildiğini bildirdi.

Hücrelerin çevrelerini hissedip buna göre tepki verebilmesi için zar proteinlerini iletişim merkezleri olarak kullanması, çalışmanın arka planını oluşturuyor. TLR4 de bu proteinlerden biri olup enfeksiyonlara karşı koruyucu bir rol oynar; ancak aşırı aktivitesi sepsis, artrit ve inflamatik bağırsak hastalığı gibi enflamasyonel rahatsızlıklarla ilişkilendirilince terapötik açıdan çekici bir hedef haline geliyor. Buna rağmen TLR4’ü hassas biçimde düzenlemek zor ve FDA onayına sahip, bu reseptörü doğrudan bloke eden herhangi bir ilaç bulunmuyor.

Bağışıklık sensörünün ihmal edilen bölgesi

Hücre zarı, yağlı moleküllerden oluşan iki sık katmandan oluşur ve bu durum zara, proteinlerin büyük çoğunluğunun bulunduğu su bazlı ortamdan oldukça farklı biyokimyasal özellikler kazandırır. Proteinlerin bu yağlı zarlar içinde nasıl katlandığı ve işlev gördüğüne dair kuralların büyük bölümü hâlâ belirsiz olduğundan, burada etki eden ilaçlar tasarlamak araştırmacıları zorlayan bir konu olarak sürmüştür.

Bu noktada Colleen Maillie ile eş kıdemli yazarlar arasında yer alan yardımcı doçent Marco Mravic ve profesör Andrew Ward’ın laboratuvarlarında çalışan bir ekip, membran proteinlerine daha iyi erişip düzenleyebilecek yeni bir yöntem geliştirmeye karar verdi. Çalışmada TLR4 seçilmesinin nedeni, reseptörün hem koruyucu hem de ayarlanabilir bir özellik taşımasıydı.

“TLR4, bakterilerin ana sensörü olup bağışıklık hücrelerini aktive edip enfeksiyonla savaşmak için harekete geçirir. Aşılardaki adjuvantlar tarafından bağışıklık tepkilerini iyileştirmek amacıyla aktive edilebilir ya da enflamasyonu baskılamak için inhibe edilebilir; böylece hem bir sensör hem de doğrusal bağışıklığı ayarlayan bir düğme işlevi görür.”

Andrew Ward, Scripps Araştırmalılar Enstitüsü

Zarın dışında TLR4’ün açığa çıkan kısmı bir bakteri molekülünü algıladığında, reseptörde değişimler tetiklenir ve iki TLR4 proteininin eşleşerek dimer oluşturması sağlanır. Bu dimoller hücrede enflamasyonel tepkiyi bazen—her zaman değil—açar. TLR4 aynı zamanda doku hasarıyla ilişkili bazı bakteri dışı molekülleri de algılar.

Ekip, zar içine gömülü transmembrane bölgenin yalnızca pasif biçimde proteini zara bağladığı yönündeki görüşün aksine, bu enflamasyonel tepkileri belirlemede aktif bir rol oynayıp oynamadığını araştırmaya karar verdi.

Zar parçaları sinyal iletimini sönümlendirir

Ekip, transmembrane bölgenin rolünü daha iyi anlamak için zarın geçen bölgesi ve proteinin küçük bir komşu bölümünü içeren TLR4 parçasını laboratuvarda kültüre edilen hücrelere ekledi. Mravic laboratuvarının son dönemde geliştirdiği; etiketlenmiş proteinler birbirine yaklaştığında ışık yayan tarama yaklaşımını kullanan ekip, bu parçaların zar içindeki TLR4 ile kolayca birleştiğini tespit etti.

Bu sonuç, özellikle sentetik proteinlerin membran proteinlerini hedeflemesini ölçmek amacıyla geliştirilen yaklaşımın pratikte de işe yaradığını gösterdi. Ayrıca ekibin bulduğu üzere parçaların varlığı, TLR4’ün tetiklediği başlıca enflamasyonel yollardan biri olan NF-κB sinyal tepkilerini genel olarak azalttı.

Zar içinde daha sıkı oturan bir molekül tasarlamak

Transmembrane bölgeye hedeflemenin TLR4’ün başlattığı enflamasyonu kısmanın mümkün bir yolu olabileceğini öğrendikten sonra ekip, burada daha güçlü bağlanan ve aktiviteyi daha geniş ölçüde değiştiren sentetik bir protein tasarlamaya yöneldi. İlk adım, bilgisayar programlarını kullanarak protein yapılarının üç boyutlu taslaklarını üretmek oldu.

“Bilim insanları on yıllardır protein tasarımında bilgisayarlardan yararlanıyor. Su içinde yaşayan protein etkileşimleri ve yapılarına ilişkin modeller giderek daha doğru hale geldi. Ancak membran proteinleri söz konusu olduğunda durum böyle değil; lipid çift katmanındaki moleküler biyofiziğin ardındaki özgü atomik ayrıntılar, güncel denklemler ve yapay zeka modelleri tarafından doğru biçimde yakalanamıyor.”

Marco Mravic, Scripps Araştırmalılar Enstitüsü

Bilgisayar programlarının proteinlerin zar içindeki hedefleriyle nasıl etkileşeceğini güvenilir şekilde tahmin edememesi üzerine ekip, tahminlerini başlangıç noktaları olarak kullandı ve tasarlanan proteinlerin kimyasal yapılarının TLR4 ile ne kadar sıkı otunduğunu ifade eden “apolar paketleme”yi optimize etmek için Mravic laboratuvarında geliştirilen özel tasarım kriterlerini uyguladı. Çeşitli seçenekler üreten ekip, canlı hücrelerde test edilecek en iyi biyofiziksel ve kimyasal özelliklere sahip dokuz yapıyı belirledi.

Aynı “ışık yayan” yaklaşımı kullanan ekip, dokuz sentetik proteini inceledi ve sekizinin TLR4 ile birleşmeye başladığını gösteren belirtiler gördü. Üçü en güçlü adaylar olarak öne çıkarken, Design-6 etkileşime dair en güçlü kanıtı yanı sıra diğer çekici özellikleri de sergiledi; örneğin doğal transmembrane parçalar kadar kümülenmedi ve NF-κB enflamasyonel sinyalini belirgin biçimde azaltabildi.

“Apolar paketlemeyi maksimize etmenin, yağlı zar içinde daha kararlı protein etkileşimleri oluşturacağına dair bir teoriye sahiptik. Yazılım artık klinik açıdan potansiyel önemi olabilecek ve girip zar içinde işlev gösterebilecek yeni pratik moleküller tasarlamamıza olanak tanıyor.”

Marco Mravic, Scripps Araştırmalılar Enstitüsü

Teslimat ve hastalık testleri önündeki engeller

Araştırmacılar, çalışmanın insan embriyonik böbrek hücreleriyle gerçekleştirildiğini; bu hücrelerin bilim insanları için işlenmesi kolay olsa da enflamasyonla ilgili hastalıklarla doğrudan alaka düzeyinin düşük olduğunu vurguladı. Bu nedenle yaklaşımın karaciğer hücreleri ve bağışıklık hücreleri gibi daha çok hastalık açısından anlamlı hücre tiplerinde de geçerli olup olmadığının kontrol edilmesi gerektiğini belirtti. Yaklaşımın tedavide kullanılabilmesi için ayrıca bu yağlı sentetik proteinlerin klinik ortamda zarlara en iyi şekilde nasıl teslim edileceğinin belirlenmesi gerekiyor.

“Bu çalışma, zar içinde teslim edilen yeni nesil biyotıp ilaçlarına yol açabilecek bir fırlatma platformu olabilir. Klinik yolculuğu uzun ve pek çok risk içeren yenilikçi bir alan; ancak bazı zekice tasarımlar ve biyofizik sayesinde daha da yaklaşıyoruz.”

Colleen Maillie, Scripps Araştırmalılar Enstitüsü

Araştırma, TLR4’ün zar içi bölgesine yönelik yeni bir anti-inflamatik tedavi sınıfının tasarımına rehberlik edebilecek mekanistik bir içgörü sunmanın yanı sıra, membran proteinlerini hedeflemek için diğer araştırmacıların kullanabileceği hesaplama araçlarını da ortaya koyuyor. Çalışma, Colleen A. Maillie önderliğinde “de novo” tasarlanmış transmembrane proteinler aracılığıyla doğrusal bağışıklık reseptörünün programlı biçimde inhibisyonu başlıklı makaleyle Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayımlanmıştır.