Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego prowadzą badania mające na celu zatrzymanie procesu podziału komórek nowotworowych poprzez upośledzenie powielania i naprawy ich materiału genetycznego. Idea polega na zablokowaniu działania białka odgrywającego kluczową rolę w replikacji i naprawie DNA. Zespół poszukuje działających w ten sposób cząsteczek, co mogłoby otworzyć drogę do dalszych badań i rozwoju nowej terapii przeciwnowotworowej.

Oparcie terapii przeciwnowotworowej na powstrzymaniu dzielenia się komórek nowotworowych oraz zaburzeniu powielania i naprawy ich materiału genetycznego (niszczonego m.in. wskutek chemioterapii) wydaje się prostym i intuicyjnym pomysłem, jednak opracowanie wykorzystujących go protokołów terapeutycznych jest wielkim wyzwaniem dla nauki. Trzeba przede wszystkim opracować cząsteczkę która, będąc bezpieczną dla komórek prawidłowych, efektywnie zablokuje mechanizm replikacji i naprawy DNA znajdującego się w jądrach komórek nowotworowych. Prowadzone na UJ badania mają na celu odkrycie cząsteczki, która spowoduje, że funkcja jednego z białek, kluczowych dla procesów replikacji i naprawy DNA komórek nowotworowych, zostanie upośledzona. Białko, które jest w centrum zainteresowania zespołu, to PCNA (z ang. Proliferating Cell Nuclear Antigen).

– Pracujemy nad znalezieniem cząsteczek, które po przedostaniu się do komórek rakowych mają działać jak koń trojański. Oczekujemy, iż ich działanie spowoduje, że mechanizm replikacji DNA zostanie zaburzony, co oznacza, że komórki, w których takie cząsteczki się znajdą, nie będą mogły się dzielić. Mówiąc wprost, próbujemy wyeliminować wybrane aktywności białka PCNA, bez którego nie są możliwe podziały komórek – wyjaśnia dr hab. Wojciech Strzałka z Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ, współtwórca wynalazku.

Blokada PCNA kluczem do sukcesu

PCNA jest kluczowym białkiem zaangażowanym w procesy replikacji i naprawy DNA oraz w regulację cyklu komórkowego. Przy podziałach komórkowych trzy cząsteczki PCNA łączą się z sobą, tworząc strukturę pierścienia. Podczas replikacji materiału genetycznego pierścień ten wchodzi w interakcję z helisą DNA – obejmuje ją i przesuwa się wzdłuż niej. Pierścień PCNA zaangażowany jest w rekrutację i, w rezultacie, zgromadzenie się w jednym miejscu enzymów (w tym polimeraz DNA) odpowiedzialnych za syntezę nowej cząsteczki DNA. Poza tym białko to zapewnia prawidłowe działanie enzymów. Uważa się, że zaburzenie funkcjonalności PCNA w komórkach nowotworowych (których cechą charakterystyczną są częste podziały) spowoduje, że stracą one zdolność do powielania DNA a możliwości jego naprawy zostaną ograniczone co, ostatecznie, uniemożliwi im podział.

– Brak funkcjonalnego pierścienia PCNA uniemożliwia prawidłowe powielanie DNA w komórce, jak i jego efektywną naprawę. Oznacza to, że komórka z taką dysfunkcją może zostać wprowadzona w stan stresu replikacyjnego co ostatecznie może doprowadzić do jej śmierci – mówi dr Arkadiusz Borek z Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ, współtwórca wynalazku.

Na czym polega nowy pomysł na poszukiwanie inhibitorów PCNA?

Naukowcy z UJ odkryli cząsteczkę jednoniciowego DNA, która „odciąga uwagę” PCNA od dwuniciowych cząsteczek DNA. Opracowany, jednoniciowy DNA wykazuje znacząco wyższe powinowactwo do PCNA niż helisa DNA i dzięki temu wygrywa konkurencję. Co więcej, związanie PCNA z opracowanym, jednoniciowym DNA, blokuje możliwość związania się tego białka z helisą DNA.

– Odkryta przez nas cząsteczka należy do kategorii aptamerów DNA, czyli jednoniciowych cząsteczek kwasu deoksyrybonukleinowego o długości kilkudziesięciu nukleotydów. Opracowaliśmy szczególny aptamer DNA, który wykazuje na tyle wysokie powinowactwo do białka PCNA, że jest w stanie nie dopuścić do jego połączenia się z dwuniciowym DNA. Wykorzystując unikatowe własności aptameru DNA wiążącego PCNA prowadzimy badania, których celem jest identyfikacja innych, niskocząsteczkowych związków blokujących możliwość wiązania przez PCNA dwuniciowego DNA, znajdującego się w jądrach komórkowych – dodaje dr hab. Wojciech Strzałka.

Pomysł na nowe terapie

Na obecnym etapie konieczne są dalsze badania, które jednoznacznie potwierdzą, że zastosowane podejście eksperymentalne jest prawidłowe. Jest to bowiem zupełnie nowe podejście w projektowaniu przyszłych terapii przeciwnowotworowych. Dotychczas świat naukowy koncentrował się na blokowaniu oddziaływania białka PCNA z białkami kopiującymi i naprawiającymi DNA. Zespół badaczy z Krakowa, patrząc na procesy kopiowania DNA, wykonał niejako krok wstecz i wyszedł z propozycją blokowania replikacji na wcześniejszym etapie, tak by PCNA w ogóle nie połączyło się z DNA.

– Proponowane przez nas rozwiązanie może potencjalnie znaleźć praktyczne zastosowanie, ponieważ poszukiwane przez nas cząsteczki mogłyby być dostarczone do komórek nowotworowych bezpośrednio za pomocą zaawansowanych i już istniejących nośników leków. W ten sposób można ograniczyć ryzyko, że inhibitor podziałów komórkowych zaburzy u pacjentów dzielenie się komórek zdrowych. Poza tym wyobrażam sobie, że w przypadku powodzenia, dzięki dalszym badaniom przedklinicznym, można będzie opracować cząsteczki o ulepszonych parametrach, które będą skutecznie blokować aktywność PCNA w komórkach – mówi dr hab. Monika Bzowska, prof. UJ z Zakładu Biochemii Komórki UJ.

Warto podkreślić, że blokowanie aktywności PCNA w komórkach nowotworowych powinno nie tylko ograniczyć namnażanie tych komórek, ale również zwiększyć ich wrażliwość na chemioterapeutyki uszkadzające DNA, takie jak: etopozyd, doksorubicyna czy cisplatyna. Zdolność komórek nowotworowych do naprawy DNA uszkodzonego w wyniku działania takich leków, a tym samym ucieczki przed programowaną śmiercią, w przypadku niektórych chorych znacząco ogranicza skuteczność obecnie stosowanych metod leczenia.

Wsparcie dla dalszych etapów badań

Naukowcy z UJ opracowali test umożliwiający śledzenie wiązania fluorescencyjnie znakowanego aptameru DNA do PCNA i tym samym poszukiwanie związków niskocząsteczkowych blokujących interakcję PCNA z dwuniciowym DNA. Obecnie Centrum Transferu Technologii CITTRU, UJ poszukuje partnerów z otoczenia, którzy włączyliby się w prace badawcze nad inhibitorami PCNA w celu podniesienia gotowości technologicznej i biznesowej poszukiwanych cząsteczek. Przejście kolejnych etapów badawczych jest konieczne, by myśleć o stworzeniu innowacyjnej terapii.