Diseño de proteínas de novo para degradar proteínas indeseadas

This story was published in English on November  22th, 2024.

El Premio Nobel de Química de 2024 reconoció al Dr. David Baker por su trabajo pionero en el diseño computacional de proteínas, junto con los doctores Demis Hassabis y John Jumper por sus contribuciones a la predicción de las estructuras proteicas. El Dr. Baker, catedrático de la Universidad de Washington y miembro del Consorcio del Cáncer, lleva décadas formulando algoritmos informáticos que permiten a la comunidad científica diseñar nuevas proteínas, es decir, no existentes en la naturaleza. Su trabajo se centra en cómo las proteínas adquieren sus formas tridimensionales (y, por ende, sus funciones). Esta capacidad de diseñar proteínas personalizadas ‘desde cero’ abre la puerta al diseño de fármacos, vacunas y nanomateriales altamente selectivos, entre otras.

Baker comenzó a diseñar el programa Rosetta para diseñar proteínas nuevas en 1998. La herramienta ensambla fragmentos de distintas estructuras proteicas con secuencias similares, locales del Banco de Datos de Proteínas. De manera que optimiza la secuencia y la estructura de la proteína al mismo tiempo. Sin Rosetta, determinar la estructura de una proteína podía llevar años, pero con esta técnica computacional, los equipos de investigación pueden obtener resultados mucho más rápidos y con una precisión notable. Vale destacar que en sus inicios la precisión de Rosetta era bastante deficiente y la precisión de estos algoritmos, suficiente para empezar a sustituir a la determinación experimental de estructuras, sólo es reciente. 

Repasemos entonces las aplicaciones prácticas del trabajo de Baker, empezando por las proteínas que se dirigen a la endocitosis, o EndoTags. Estas proteínas están diseñadas para potenciar la endocitosis, un proceso celular mediante el cual las células introducen moléculas extracelulares, que luego se descomponen por la vía del lisosoma. Las EndoTags están diseñadas para unirse a los receptores sin interferir con los ligandos naturales, “apropiándose” de las vías internas de la célula para así promover la degradación de proteínas específicas. Los resultados de esta investigación se publicaron recientemente en la revista Nature. 

Para probar las EndoTags, el equipo exploró receptores endocíticos con diferente expresión tisular y mecanismos posteriores. Estos objetivos incluían (1) el Receptor del Factor Insulínico 2 de Crecimiento (IGF2R), que se encuentra en la mayoría de los tejidos y desencadena la endocitosis a través de la dimerización del receptor, (2) el Receptor de Asialoglicoproteína (ASGPR), que se expresa principalmente en el hígado y requiere agrupación para la endocitosis, (3) el Receptor de Transferrina (TfR), que se expresa en el cerebro, el hígado y los músculos, y está presente de forma cíclica en la superficie celular y los compartimentos internos, y (4) la Sortilina, que se encuentra en el sistema nervioso central y está presente similarmente de forma cíclica en las distintas estructuras internas de la célula.

Cabe señalar que cada receptor planteaba un reto de diseño único. Para receptores como el IGF2R, el equipo de Baker utilizó Rosetta RIFdock para crear una proteína sintética que se uniera a dos partes del IGF2R, promoviendo la dimerización y desencadenando la endocitosis. En el caso del receptor ASGPR, es necesaria la agrupación para iniciar la internización. En este caso, el equipo combinó Rosetta ProteinMPNN y AlphaFold2, diseñando proteínas fijadoras que imitan la agrupación del receptor para estimular la endocitosis. Para la Sortilina y el receptor TfR, el equipo utilizó el software de diseño de ligandos Rossetta de novo para diseñar proteínas sintéticas que “se unan al receptor en un punto que no compite con el ligando natural, dicha competencia podría tener efectos secundarios no deseados y reducir la eficacia”. Fue gratificante que la endocitosis se desencadenara en todos estos receptores utilizando las EndoTags. 

Basándose en ellas, el equipo de Baker diseñó quimeras dirigidas al lisosoma (pLYTACs). Estas proteínas sintéticas aprovechan el mecanismo lisosomal para degradar las proteínas asociadas con la enfermedad. Para comprobarlo, las hicieron dirigirse a la EGFR, una proteína a menudo sobreexpresada en los cánceres, logrando una reducción del 85 % en los niveles de EGFR. En este caso, la pLYTAC estaba compuesta por una proteína de fijación a la EGFR fusionada con una EndoTag. También las dirigieron a la PD-L1, una proteína de control inmunitario que ayuda a las células cancerosas a evadir la detección inmunitaria. En este caso, la EndoTag se fusionó con un anticuerpo -anti-PD-L1- dando como resultado a una disminución del 77 % de PD-L1 en 48 horas en las células tratadas con esta pLYTAC. 

Para lograr una mayor especificidad, el equipo combinó EndoTags con Co-LOCKR, una tecnología que actúa como una compuerta lógica “AND”. Este sistema se activa únicamente cuando dos marcadores en particular están presentes en una célula. Aplicaron esta técnica para degradar la EGFR sólo en las células que también expresan HER, algo habitual en las células cancerosas, pero poco frecuente en el tejido sano. Este enfoque redujo los niveles de EGFR en aproximadamente el 80 % en las células con ambos marcadores, preservando las que sólo tenían uno y minimizando los posibles efectos secundarios.

En el futuro, el equipo se propone ampliar la gama de objetivos para las EndoTags, con la posibilidad de avanzar en los tratamientos del cáncer, las enfermedades autoinmunes y los trastornos neurológicos. Las EndoTags también pueden resultar muy útiles para el estudio de procesos celulares complejos y aclarar los mecanismos subyacentes de diversas enfermedades. “Nuestra meta es aumentar la gama de objetivos a los cuales dirigir EndoTags, lo que podría permitir el tratamiento de más enfermedades. También tenemos previsto explorar las aplicaciones clínicas de las pLYTACs, con la esperanza de desarrollar nuevos tratamientos contra el cáncer y los trastornos autoinmunes y neurológicos”, comentaron los autores. 

El trabajo destacado recibió financiamiento del Departamento de Defensa, la Agencia para la Reducción de la Amenaza de Defensa, el programa DARPA Synergistic Discovery and Design, los Institutos Nacionales de la Salud, el Audacious Project del Instituto para el Diseño de Proteínas, el Fondo de Directores del Instituto Nordstrom Barrier para el Diseño de Proteínas, el Open Philanthropy Project Improving Protein Design Fund, la financiación E. Schmidt, W. Schmidt y Schmidt Futures, la Organización Europea de Biología Molecular, el Jane Coffin Childs Memorial Fund for Medical Research, una beca de investigación para posgrados de la National Science Foundation y el Stanford Center for Molecular Analysis and Design. 

El Dr. David Baker, integrante del Fred Hutch/University of Washington/Seattle Children's Cancer Consortium, contribuyó a este trabajo.

Huang, B. et al., Designed endocytosis-inducing proteins degrade targets and amplify signals. Naturaleza. 2024 Sep 25. Publicación electrónica antes de impresión. 

Este artículo fue traducido de la versión original en inglés al español por Ángela María Carvajal con la revisión de Adriana Nodal-Tarafa en coordinación con las escritoras actuales Joselyn Landazuri y Annabel Olson.