細胞内の水っぽい内部では、オルガネラと呼ばれる小さな機能区画で複雑なプロセスが行われます。 エネルギーを生み出すミトコンドリアは細胞小器官であり、細胞物質の輸送を助けるフリルゴルジ体もそうです。 これらのコンパートメントは両方とも、薄い膜によって結合されています。

しかし、過去数年の間に、ホワイトヘッド研究所や他の場所での研究は、膜なしで一緒に保持されている他の細胞小器官があることを示しています。 凝縮物と呼ばれるこれらのオルガネラは小さな液滴であり、細胞のカオスの中で特定のタンパク質を互いに近くに保ち、その中で複雑な機能を発生させることができます。 「私たちはこれまでに細胞内に約20種類の凝縮物があることを知っています」とホワイトヘッド研究所のリチャードヤング研究室のポスドクであり、ダナファーバー癌研究所の腫瘍学者であるアイザッククラインは言います。

さて、 科学 19月XNUMX日、クラインとヤングの研究室の別のポスドクであるアンボイヤは、癌薬を含む小分子がこれらの細胞小滴に集中するメカニズムを示しています。これは、新しい癌治療法の開発に影響を与える可能性のある発見です。 研究者が化学物質を調整して、特にXNUMX種類の液滴を探して濃縮することができれば、それは薬物の送達効率にプラスの影響を与える可能性があります。 「多分それは私たちが癌治療を改善し、新しいものを発見することができる道であると私たちは考えました」とクラインは言います。

「この[研究]は、細胞内の組織を見る革命的な新しい方法の一部です」とコッホ統合癌研究所の生物学教授で研究の共著者であるMIT研究所のフィリップ・シャープ教授は言う。 「セルはスープの小さなプールではなく、すべてが混ぜ合わされています。 それらは実際には高度に組織化され、区画化されたユニットであり、その組織はその機能と疾患において重要です。 私たちはそれを理解し始めたばかりであり、この新しいペーパーは、その洞察を使用して、潜在的に疾患を異なる方法で治療する方法を理解するための非常に重要なステップです。」

凝縮物とドラッグデリバリー

細胞核内の凝縮物の異なる特性がどのように癌薬の送達に影響したかを調査するために、BoijaとKleinは研究するいくつかの例の凝縮物を選択しました。 これらには、RNAスプライシングに必要な細胞材料を保存するスプライシングスペックルが含まれていました。 核小体、リボソームが形成される; そして、2018年に発見された新しい種類の液滴ヤングの実験室は、転写凝縮と呼ばれています。 これらの新しい凝縮物は、遺伝子の転写に成功するために必要なすべての異なるタンパク質を集めます。 

研究者たちは、それぞれの種類の液滴に特異的なマーカータンパク質に光るタグを追加することで、1つの異なる蛍光標識された凝縮物の独自のスイートを作成しました。 たとえば、転写凝縮物は、液滴形成タンパク質MED2によってマークされ、スペックルはSRSF1と呼ばれるタンパク質によってスプライシングされ、核小体はFIB1およびNPMXNUMXによってマークされます。 

細胞の目的によって個々の液滴を区別できるようになったため、チームは、ハーバード大学の化学生物学者であるナタナエルグレイとダナファーバー癌研究所の助けを借りて、臨床的に重要な薬物の蛍光バージョンを作成しました。 テストされた薬物には、化学療法で一般的に使用されるXNUMXつの抗腫瘍薬であるシスプラチンとミトキサントロンが含まれていました。 これらの治療薬はどちらも核凝縮物内にあるタンパク質を標的とするため、完璧な試験対象でした。 

研究者らは、癌薬をさまざまな液滴（および液滴のみで、実際の薬物標的は含まない）を含む混合物に追加し、薬物が特定の凝縮物に分類されることを発見しました。 ミトキサントロンは、MED1、FIB1、NPM1でマークされた凝縮物に濃縮され、他のものを選択的に回避しました。 シスプラチンも、MED1によって一緒に保持された液滴に対して特定の親和性を示しました。 

「これらのin vitro試験の大きな発見は、薬物がその標的とは無関係に転写凝縮物内に集中できることです」とBoija氏は述べています。 「私たちは薬物のターゲットがそこにあるので正しい場所に来ると思っていましたが、私たちのin vitroシステムではターゲットはそこにありません。 それは本当に有益です—それは薬が私たちが思っていたのとは異なる方法で実際に濃縮されていることを示しています。」    

一部の薬物が転写縮合物に引き込まれた理由を理解するために、化学修飾された色素のパネルをスクリーニングし、多くの薬物の重要な部分、つまり転写縮合物に集中するようになった部分が分子の芳香環構造であることを発見しました。 芳香環は、炭素原子の安定したリング状のグループです。 一部の薬物の芳香環は、MED1のアミノ酸の環と積み重なると考えられており、薬物を転写凝縮物に集中させます。 

特定の凝縮物に入るように薬物を調整できることは、薬物開発者にとって強力なツールです。 「芳香族基を分子に追加すると、転写縮合物内に濃縮されることがわかりました」とBoija氏は言います。 「転写縮合物に入る新薬を設計する際に重要なのはこのタイプの相互作用です。おそらく、それらの構造を変更することで既存の薬を改善できるかもしれません。 これは調査するのが非常にエキサイティングになります。」

薬がどこに集中するかが、がんとの戦い方に影響を与える

このツールが医薬品開発に実用的に役立つためには、特定の液滴の濃度が実際に医薬品の性能に影響を与えることを確認する必要がありました。 BoijaとKleinは、MED1によって転写凝縮物に引き付けられ、DNA鎖に不格好なプラチナ分子を追加することで癌と戦うために機能するシスプラチンを使用して、これをテストすることに決めました。 これは腫瘍細胞の遺伝物質を損傷します。 研究者がシスプラチンを試験管と細胞の両方で異なる凝縮物の混合物に投与したとき、薬物は転写凝縮物内にあるDNAを優先的に変更しました。 

これは、シスプラチンと他のプラチナ薬が非常に多くの多様な癌に対して効果的である理由を説明することができます、とMITの生物学の教授でもあるヤングは言います。 癌を引き起こす遺伝子はしばしばスーパーエンハンサーと呼ばれるDNAの領域を運びます。これは転写において非常に活発であり、非常に大きな転写凝縮物をもたらします。 「シスプラチンのような薬剤が多様ながんの患者に有効に機能する理由は、これらの大きな転写凝縮物が発生するがんの原因となる遺伝子に選択的に集中するようになったためです」と彼は言う。 「その効果は、各ガンを非常に致命的にする原因となっている遺伝子に薬物を戻すことです。」

薬物耐性の謎、解決        

凝縮体の挙動に関する新たな洞察は、がん研究における別の質問に対するいくつかの回答も提供しました：なぜ人々は乳がん薬タモキシフェンに対して免疫になるのでしょう。タモキシフェンは、がん細胞のエストロゲン受容体にそれ自体を付着させ、必要なホルモンを得るのを防ぎます成長し、最終的には新しい癌細胞の形成を完全に遅らせたり停止させたりします。 この薬剤はこの疾患の最も効果的な治療法の50つであり、ER +乳がんの再発率を約XNUMX％削減します。     

残念ながら、多くの患者はタモキシフェンにすぐに抵抗性を示します-場合によっては、服用を始めてから数か月後に。 これはさまざまな方法で発生します。たとえば、癌細胞が変異してタモキシフェンを細胞外に放出したり、薬物が結合するためのエストロゲン受容体を生成したりすることがあります。 耐性の1つの形態は、タンパク質MEDXNUMXの過剰生産に関連していましたが、科学者たちはその理由を知りませんでした。 

薬剤の活動が集中する場所によってどのように影響を受けるかについての彼らの新たな知識により、ボイヤとクラインは仮説を立てました：追加のMED1は液滴のサイズを増加させ、タモキシフェンの濃度を効果的に希釈し、薬剤の結合をより困難にする可能性がありますそのターゲット。 彼らが実験室でこれをテストしたとき、チームはより多くのMED1が実際により大きな液滴を引き起こし、タモキシフェンのより低い濃度につながることを発見しました。 

ドラッグデザイナーのための新しいツールセット

がん細胞内の薬物の挙動を理解する能力-薬物がどのように集中するのか、なぜ癌が耐性になるのか-は、効率的な治療法を作成するためのツールの新しい武器を薬物開発者に提供する可能性があります。

「この研究は、特定の凝縮物に濃縮されている薬物を設計または分離できるかどうかを調査し、既存の薬物が細胞にどのように濃縮されているかを理解する必要があることを示唆しています」とPhil Sharpは言います。 「これは医薬品開発にとって非常に重要だと思います。そして、[考え出す]ことが楽しくなると思います。」