ABOVE: © science source, Hybrid Medical Animation

Zolang levende wezens al eiwitten bouwen op basis van de code van boodschapper-RNA-moleculen, zijn er aminoacyl-tRNA-synthetasen geweest. Deze enzymen, afgekort AARS’s, koppelen transfer-RNA’s (tRNA’s) aan de overeenkomstige aminozuren. Dat lijkt een hele klus voor één klasse enzymen, en toen het leven op basis van eiwitten begon, was dat ook zo. Maar naarmate organismen complexer werden, kregen AARSs extra domeinen die hen in staat stelden veel meer te doen.

“Tegen de tijd dat je bij de mens komt, is de synthetase sterk versierd” met die extra domeinen, zegt Paul Schimmel, een biochemicus van het Scripps Research Institute die deze extra taken bestudeert.

Levende wezens bezitten ten minste één type AARS-molecuul voor elk van de 20 aminozuren die proteïne produceren. Voor sommige aminozuren zijn er twee soorten, met een afzonderlijk enzym voor gebruik bij de proteïne-vertaling die in de mitochondrion plaatsvindt. Al deze synthetasen hebben een kernsegment dat betrokken is bij het koppelen van tRNA’s en aminozuren, en op één na hebben ze allemaal een of meer extra hulpdomeinen. Door hun mRNA’s alternatief te splitsen of de eiwitten post-translationeel te fragmenteren kunnen cellen bovendien meer dan 300 verschillende eiwitvarianten van AARS-genen maken. Sommige van deze varianten doen dienst als ontstekingsbevorderende cytokinen. Andere orkestreren de vorming van bloedvaten. De AARS’s voor glutaminezuur en proline zijn samengevoegd tot een tweedelig eiwit; de link tussen beide lijkt de immuunactiviteit en het vetmetabolisme te regelen, en kan zelfs de levensduur beïnvloeden. Veel AARS’s zijn in verband gebracht met ziekten bij de mens die worden veroorzaakt door defecten in niet de eiwitassemblage, maar in deze andere, niet-canonieke functies.

Ik hoorde hoe sceptisch het veld was over deze ontdekkingen. Ik neem het ze niet kwalijk. Ik zou ook in de war zijn.

-Xiang-Lei Yang, Scripps Research Institute

Sommige onderzoekers zien de enzymen nu als doelwitten voor medicijnen tegen kanker, immuunziekten en andere aandoeningen. Het bedrijf dat Schimmel mede heeft opgericht, aTyr Pharma in San Diego, ziet de AARS-eiwitten zelf als een geheel nieuwe klasse van geneesmiddelen, te onderscheiden van kleine moleculen of andere biologische geneesmiddelen. Het bedrijf voert momenteel een klinisch onderzoek uit waarbij een onderdeel van het histidine-enzym, HisRS, wordt getest voor de behandeling van ontstekingslongziekten.

Alternatieve AARS-functies zijn al sinds de jaren tachtig bekend in lagere organismen zoals bacteriën, maar hun activiteiten zijn niet uitgebreid, zegt Schimmel. Vanaf de jaren ’90 begonnen Schimmel en anderen niet-canonieke functies in hogere eukaryoten te ontdekken, te beginnen met onverwachte rollen in angiogenese. De ontdekking van nieuwe functies voor deze oude eiwitten was “een grote verrassing”, zegt David Dignam, een biochemicus aan de Universiteit van Toledo. Maar gezien de diverse functies die onderzoekers die AARS bestuderen aan het licht hebben gebracht, waarvan er vele betrekking hebben op cruciale ziektetrajecten, zegt Dignam dat hij de aanpak van aTyr zinvol vindt. “Ik denk dat het heel logisch is om te stellen dat je op basis hiervan medicijnen kunt maken.

Terwijl andere eiwitten secundaire functies hebben aangenomen, is de hoeveelheid en verscheidenheid van nevenfuncties die in de AARS’s zijn gevonden opmerkelijk, zegt Schimmel. En hij denkt niet dat het toeval is. Deze specifieke synthetases zijn al aanwezig en beschikbaar voor de evolutie om te veranderen sinds het leven op basis van eiwitten begon. Gezien hun essentiële rol in de eiwitsynthese worden ze consequent geproduceerd en is het onwaarschijnlijk dat ze uit een levensvatbaar genoom verdwijnen. Dat maakt ze tot een stabiel substraat voor nieuwe functionele domeinen. Bovendien bezitten ze specifieke aminozuurbindingsplaatsen, klaar voor interactie met andere eiwitten.

“Het is slot en grendel,” zegt Schimmel. “Elk eiwit dat een mooie zijketen heeft die past bij een synthetase, kan uiteindelijk een partner worden.”

Bouwen en blokkeren van bloedvaten

Schimmel zegt dat hij al lang gefascineerd is door de oorspronkelijke functie van AARSs: het interpreteren van de genetische code. In de jaren ’90 was het laboratorium van Schimmel, toen nog aan het MIT, bezig met het sequencen van de AARS-genen. “We waren geïnteresseerd in het ontwikkelen van kleine moleculen die zich op hen zouden richten en hun activiteiten op specifieke manieren zouden doden,” zegt hij. Als bijvoorbeeld het AARS van een ziekteverwekker voldoende verschilde van dat in mensen, zo redeneerde hij, zou men een antibioticum kunnen ontwikkelen dat de eiwitsynthese in de besmettelijke agent uitschakelt.

Schimmels toenmalige postdoc Keisuke Wakasugi werd nieuwsgierig naar de sequentie van het gen dat codeert voor TyrRS, het AARS voor tyrosine. Bij de mens bevat TyrRS een extra segment aan het carboxyluiteinde van het enzym, een kenmerk dat niet aanwezig is bij prokaryoten of lagere eukaryoten. De aminozuursequentie voor dit deel van het eiwit kwam overeen met die voor een menselijk cytokine, EMAP II, dat circulerende immuuncellen in weefsels rekruteert om ontstekingen te bevorderen. Wakasugi besloot dat carboxyl domein te testen op cytokine-achtige activiteit.

“Dat is een dom idee,” herinnert Schimmel zich denkend. Maar Wakasugi ging door, en inderdaad, het TyrRS carboxyl domein werkte net als EMAP II, en induceerde gekweekte fagocyten en leukocyten om te migreren en ontstekingssignalen vrij te geven. Het volledige TyrRS had daarentegen geen invloed op het gedrag van de cellen. Dat duidde op de mogelijkheid dat het carboxyl domein van de TyrRS kan worden afgebroken voor immuunfuncties. Niemand in het lab wilde de bevinding in eerste instantie geloven, dus herhaalde Wakasugi de experimenten, met dezelfde resultaten.

Hoewel het meer dan tien jaar zou duren om aan te tonen dat dergelijke AARS fragmenten werkelijk aanwezig en relevant waren in een levend dier, wist Wakasugi dat hij iets op het spoor was. “Paul en ik waren erg opgewonden over de ontdekking van een nieuwe en onverwachte functie van het menselijke TyrRS,” herinnert Wakasugi zich, nu biochemicus aan de Universiteit van Tokio. “Gedurende dit project had ik het gevoel dat we de deur openden naar een geheel nieuw onderzoeksgebied.”

Als onderdeel van dezelfde studie, onderzocht Wakasugi ook het amino-terminale, katalytische domein van TyrRS, zich afvragend of het ook celmigratie zou kunnen beïnvloeden. Het gedrag van dit domein deed denken aan dat van de cytokine interleukine-8 (IL-8). Zowel het amino-terminale fragment van TyrRS als IL-8 binden zich aan de IL-8 receptor op bepaalde leukocyten, waardoor deze in cultuur gaan migreren.

Schimmel wierf Xiang-Lei Yang, een postdoc met expertise in structurele biologie, aan om zijn lab bij Scripps in La Jolla, Californië, te vervoegen om te onderzoeken hoe TyrRS alternatieve functies zou kunnen beheren. Yang richtte zich op een bepaalde aminozuursequentie, glutaminezuur-leucine-arginine, die nodig is voor de cytokineactiviteit van het synthetasefragment. Dezelfde sequentie werd ook gevonden in IL-8 en verwante cytokines. In kristalstructuren vond zij dat de volledige TyrRS dit motief begroef, maar dat het bloot lag in het cytokine-achtige fragment.

Van IL-8 was bekend dat het de vorming en groei van bloedvaten bevordert, dus testte Wakasugi zijn TyrRS amino-terminale fragment ook op angiogene activiteit. Toen hij een beetje gel met het fragment bij muizen injecteerde, groeiden de bloedvaten en doorspoelden de gel. Om die werking verder te onderzoeken, belde Schimmel zijn Scripps-collega Martin Friedlander, een oogarts en cel- en ontwikkelingsbioloog, en vroeg hem het TyrRS-fragment te testen in zijn muismodellen voor oogvascularisatie. Friedlander stemde toe, maar vroeg ook om een controle. Dus leverde Wakasugi naast het menselijke TyrRS fragment een natuurlijke splice variant van het tryptofaan enzym, TrpRS, dat het glutaminezuur-leucine-arginine motief mist.

De resultaten, herinnert Friedlander zich, waren niet precies wat hij verwachtte. TrpRS, de veronderstelde controle, “had een veel krachtiger effect,” zegt Friedlander, die ook voorzitter is van het Lowy Medical Research Institute in La Jolla. Maar dat effect was het tegenovergestelde van de werking van TyrRS: in plaats van angiogenese te bevorderen, zoals Wakasugi in de gel had gezien, blokkeerde het TrpRS-fragment de angiogenese in zoogdiercelcultuur, kippenembryo’s, en muizenogen. “TyrRS en TrpRS kunnen zijn geëvolueerd als tegengestelde regulatoren van angiogenese,” zegt Wakasugi.

Wetenschappers waren aanvankelijk resistent tegen het idee dat een AARS functies zou kunnen hebben die verder gaan dan eiwitsynthese. Yang herinnert zich een conferentie bij te wonen, kort nadat Wakasugi zijn werk over angiogenese had gepubliceerd, waar anderen niet wisten dat zij een acoliet van Schimmel was. Aldus incognito, “hoorde ik hoe sceptisch het veld was over deze ontdekkingen,” herinnert zij zich. “Ik neem het ze niet kwalijk. Ik zou ook in de war zijn.”

MONLIGHTING ENZYMES Aminoacyl-tRNA synthetases spelen een fundamentele rol bij de vertaling van eiwitten, door transfer-RNA’s te koppelen aan hun cognate aminozuren. Maar in de honderden miljoenen jaren dat ze bestaan, hebben deze synthetases (AARSs) verschillende bijbaantjes gekregen. Een daarvan is het beheer van de ontwikkeling van het gewervelde bloedvatenstelsel. © Thom Graves
	Meerdere AARSs spelen een rol bij de ontwikkeling van het gewervelde bloedvatenstelsel. Tijdens de ontwikkeling downreguleert het serine-enzym SerRS de expressie van vasculaire endotheliale groeifactor A (VEGF-A), waardoor overvascularisatie wordt voorkomen.
	Daarnaast vormt een combo-synthetase voor glutaminezuur en proline, GluProRS, samen met andere eiwitten het interferon-γ activated inhibitor of translation (GAIT) complex om de translatie van VEGF-A te blokkeren.
	Een onderdeel van het tryptofaansynthetase TrpRS draagt ook bij tot het afremmen van de angiogenese door VE-cadherinereceptoren op endotheelcellen te binden en te blokkeren, zodat ze zich niet met elkaar kunnen verbinden om bloedvatbekleding te vormen.
	Tussen lijkt een fragment van het tyrosinesynthetase TyrRS de groei van bloedvaten te bevorderen door de migratie van deze endotheelcellen te stimuleren.
Wanneer deze functies in de evolutie ontstonden Volgens biochemicus Paul Schimmel van het Scripps Research Institute loopt de toevoeging van accessoire domeinen die dergelijke taken uitvoeren gelijk met belangrijke gebeurtenissen in de evolutie van de bloedsomloop. Het eerste bloedvatenstelsel, dat het endotheel ontbeerde dat in moderne gewervelde dieren aanwezig is, ontstond waarschijnlijk in een gemeenschappelijke voorouder van gewervelde dieren en geleedpotigen zo’n 700 tot 600 miljoen jaar geleden. Rond diezelfde tijd verwierf TyrRS een glutaminezuur-lysine-argininemotief, waarvan tegenwoordig wordt aangenomen dat het angiogenese bevordert. Vervolgens, zo’n 540 tot 510 miljoen jaar geleden, ontwikkelde een voorouderlijk gewerveld dier een gesloten vasculair systeem, waarbij het bloed door vaten werd gepompt die door endotheel werden bekleed. Ergens rond diezelfde periode, een half miljard jaar geleden, kreeg het TrpRS een WHEP-domein, dat nu zijn vermogen regelt om angiogenese te blokkeren. Bovendien verwierf SerRS een domein dat uniek is voor dit enzym, dat nu overvascularisatie voorkomt in de zich ontwikkelende zebravis, en waarschijnlijk ook in andere gewervelde dieren. GluProRS’s rol in angiogenese lijkt daarentegen niet zo precies te zijn getimed op de evolutie van de vasculatuur. Een linker proteïne verbond de AARSs voor glutaminezuur en proline enzymen ongeveer 800 miljoen jaar geleden, voordat er bloedsomloop systemen bestonden. © THOM GRAVES
700-600 MYA Een primitieve bloedsomloop verschijnt in de gemeenschappelijke voorouder van geleedpotigen en gewervelde dieren. Met endotheel beklede bloedvaten zijn nog niet aanwezig. TyrRS verwerft een domein dat tegenwoordig angiogenese bevordert. 540-510 MYA De gesloten bloedsomloop, met door endotheelcellen beklede bloedvaten, verschijnt in een voorouderlijk gewerveld dier. TrpRS verwerft een domein dat angiogenese blokkeert in moderne dieren. SerRS verwerft een domein dat tegenwoordig de vasculaire ontwikkeling in zebravis en waarschijnlijk andere gewervelde dieren regelt.

Vasculatuur en verder

Weliswaar waren de door Wakasugi en collega’s ontdekte TyrRS- en TrpRS-functies interessant, maar het was niet duidelijk of de enzymfragmenten deze functies ook werkelijk in vivo vervulden. Yang realiseerde zich dat om zichzelf en andere wetenschappers vertrouwen te geven in niet-canonieke functies van AARSs, ze bewijs moest vinden dat ze aanwezig waren in dieren.

Het team heeft dit nog steeds niet gedaan voor TrpRS of TyrRS, maar Wakasugi vond haar kans met het serine enzym, SerRS. Meerdere gepubliceerde genetische onderzoeken bij zebravissen hadden defecten in de vasculaire ontwikkeling aangetoond wanneer SerRS was gemuteerd. Maar mutaties die het vermogen van het enzym om tRNA’s en aminozuren te koppelen uitschakelden, veroorzaakten dergelijke defecten niet, hetgeen erop wijst dat er iets anders aan de hand was.

Om uit te zoeken wat dat was, wendde Yang zich tot een sequentie, UNE-S gedoopt, die wordt aangetroffen in SerRS van gewervelde, maar niet van ongewervelde dieren. Yang’s team – ze kwam in 2005 bij de Scripps-faculteit en deelt nu een lab met Schimmel – identificeerde snel een nucleaire lokalisatiereeks binnen UNE-S, en stelde vast dat mutaties die dit signaal veranderden de vasculaire defecten in zebravisembryo’s veroorzaakten. In de kern, zo ontdekten zij, lijkt SerRS de expressie van vasculaire endotheliale groeifactor A (VEGFA) te minimaliseren. De studie, die in 2012 werd gepubliceerd, was de eerste die een essentiële, natuurlijke rol voor een accessoir AARS-domein in een levend dier illustreerde. Kort daarna meldde het team dat nucleaire SerRS VEGFA blokkeert door te concurreren en te interfereren met c-Myc, een transcriptiefactor die normaal gesproken de expressie van het gen bevordert.

Ondertussen bleven Schimmel’s en Yang’s groepen proberen de niet-canonieke functies van TrpRS en TyrRS te verklaren, zelfs terwijl ze meer nevengigs voor deze enzymen vonden. Yang leidde studies naar de structuur en het mechanisme van het TrpRS fragment. Zij ontdekte dat het volledige TrpRS geen invloed heeft op angiogenese omdat het wordt afgedekt door een WHEP-domein – zo genoemd omdat dit domein voorkomt in aminoacyl tRNA synthetases voor tryptofaan (W), histidine (H), glutaminezuur (E) en proline (P), en ook in de glycine- en methionine-enzymen. Yang’s team ontdekte dat wanneer het ontsloten wordt door proteasen in de extracellulaire ruimte, TrpRS bindt aan een cellulaire receptor genaamd VE-cadherine. Met name tryptofanen in de receptor leken het actieve gebied van TrpRS binnen te dringen om de binding tot stand te brengen. Daarom zag Wakasugi dat alleen het fragment, niet de volledige TrpRS, angiogenese blokkeerde.

Meer recent is Schimmel ook geïnteresseerd in aminozuurachtige verbindingen op plantaardige basis, zoals resveratrol, het spul in rode wijn dat oxidatieve stress zou tegengaan. Resveratrol en tyrosine zijn vergelijkbaar in die zin dat ze beide een fenolische ring bevatten, en dat is belangrijk voor het vermogen van resveratrol om de expressie van pro- en anti-oxidatieve genen te beïnvloeden. In 2015 meldde het team van Schimmel dat TyrRS zich onder stressomstandigheden verplaatst naar de kern van menselijke gekweekte cellen of levende muizen, waar eventueel aanwezige resveratrol keurig past in de actieve site van TyrRS. Dit schakelt de normale katalytische activiteit van TyrRS uit om tyrosinemoleculen met de juiste tRNA’s te verbinden. In plaats daarvan stimuleert TyrRS de activering van PARP-1, een enzym dat betrokken is bij DNA-reparatie.

Een paar jaar later ontdekte het team dat een alternatief gesplicte versie van TyrRS de proliferatie van bloedplaatjes in muizen en gekweekte cellen stimuleert, en mogelijk kan worden gebruikt om mensen met een laag aantal bloedplaatjes te behandelen.

Schimmel verwacht dat niet-canonieke AARS-functies de groep nog lange tijd bezig zullen houden. “We zijn nog maar nauwelijks begonnen met wat er nog te leren valt,” zegt hij. “Ik ben net zo enthousiast, of zelfs nog enthousiaster, over deze enzymen als toen ik tientallen jaren geleden begon.”

Het beheren van ontsteking en metabolisme

Terwijl het bewijs van niet-canonieke functies voor AARSs uit het lab van Schimmel druppelde, bestudeerde Paul Fox, een biochemicus aan het Lerner Research Institute van de Cleveland Clinic, de controle van ontsteking in macrofagen. Zijn team onderzocht meer bepaald een complex dat ontstaat wanneer de cellen worden blootgesteld aan de cytokine interferon-γ. Een eiwitcomplex met de naam GAIT (voor interferon-γ activated inhibitor of translation), dat in macrofagen wordt gegenereerd, bindt zich aan mRNA’s die verband houden met ontsteking en blokkeert deze. Binnen het complex vonden de onderzoekers GluProRS, een enzym dat de AARS’s voor glutaminezuur en proline omvat.

“We stuitten er volkomen per ongeluk op,” herinnert Fox zich. “Ik dacht niet dat het een interessant enzym was.” Maar hij wist van het werk van Schimmel, en hij pakte de telefoon om Scripps te bellen.

Een minuut in het gesprek, onderbrak Schimmel om Fox te verwelkomen in wat Schimmel het meest opwindende gebied van AARS-onderzoek noemde: de niet-canonieke functies. Schimmel beloofde ook zijn hulp, zegt Fox. “Hij is sindsdien een grote steun en vriend geweest.” Met hulpmiddelen geleverd door Sunghoon Kim, een voormalige Schimmel lab postdoc nu aan de Yonsei University in Zuid-Korea, ontdekte Fox’s team dat interferon-γ ervoor zorgt dat GluProRS wordt gefosforyleerd, zijn post in translatie verlaat en zich aansluit bij de andere GAIT-leden om de productie van ontstekingseiwitten te stoppen.

Het is niet duidelijk waarom de glutaminezuur- en proline synthetases ongeveer 800 miljoen jaar geleden werden gekoppeld, maar Fox heeft een hypothese, die hij in 2018 publiceerde. Proline wordt gesynthetiseerd uit glutaminezuur, en in die periode in de evolutie begonnen de opkomende dierlijke eiwitten meer proline te bevatten. Dat kan hebben geleid tot een toename in de productie van ProRS dat alle beschikbare proline opslokte, waardoor er meer gemaakt moest worden van glutaminezuur. Dat kan hebben geleid tot een tekort aan glutaminezuur, waardoor de eiwitsynthese werd belemmerd. “De oplossing daarvoor was om de twee synthetases in één gen te fuseren, zodat ze in dezelfde hoeveelheden moeten worden aangemaakt,” zegt Fox. “De een steelt niet van de ander.”

De linker tussen de twee synthetases is cruciaal voor de activiteit van het GAIT-complex; het bestaat uit drie WHEP-domeinen die zich binden aan doel-RNA’s. Fox speculeert dat ergens nadat de linker verscheen, de cel deze coöpteerde om ontstekingen te reguleren.

Meer recentelijk vroeg Fox’s team zich af of de GAIT-route zou kunnen functioneren in andere cellen dan macrofagen. Toen de onderzoekers naar vetcellen keken, zagen ze dat insulinebehandeling ervoor zorgde dat GluProRS werd gefosforyleerd en de eiwitsynthese-machine verliet. Maar het sloot zich niet aan bij de andere GAIT-partners. In plaats daarvan werd het gekoppeld aan een normaal cytosolisch eiwit genaamd vetzuur transport proteïne 1 (FATP1). Samen ging het moleculaire duo naar het membraan van de vetcel, waar de transporteur vetzuren in de cel bracht.

Ik ben net zo enthousiast, of zelfs meer enthousiast, over deze enzymen als ik was toen ik tientallen jaren geleden begon.

-Paul Schimmel, Scripps Research Institute

De onderzoekers ontwikkelden een muis die de fosforyleringsplaats mist die nodig is om GluProRS vrij te maken om FATP1 te vinden. Met minder vetzuur-opslagcapaciteit, waren de muizen mager, met een gewicht van ongeveer 15 tot 20 procent minder dan controledieren. Bovendien leefden ze bijna vier maanden langer, waardoor hun levensduur met ongeveer 15 procent werd verlengd. Een vergelijkbare winst bij mensen zou overeenkomen met een decennium of meer. “Als we ons op die fosforyleringsplaats kunnen richten, kunnen we de levensduur misschien verlengen,” zegt Fox. Zijn lab is in een zeer vroeg stadium op zoek naar een klein molecuul om die fosforylering te remmen.

Drugsontwikkeling

In de verschillende taken die AARS’s op zich hebben genomen boven en buiten hun traditionele rol, zien Schimmel en collega’s een thema: ze houden cellen en lichamen stabiel. “Ze lijken iets te zijn dat een modulerende rol speelt, meer een homeostase herstelt,” zegt Leslie Nangle, een voormalige promovendus in het lab van Schimmel die nu senior directeur voor onderzoek is bij aTyr Pharma. Veel onderzoekers vinden het riskant om met zulke essentiële enzymen te rommelen, zegt Kim, maar hij en Schimmel zien potentieel in het richten van AARSs voor het behandelen van ziektes. Schimmel’s bedrijf aTyr, waarvan Kim en Yang ook medeoprichters zijn, hoopt de enzymen zelf om te zetten in biologische geneesmiddelen. Daarnaast leidt Kim in Seoul de non-profit organisatie Biocon, waar onderzoekers verschillende kleine moleculen ontwikkelen die samenwerken met AARS’s, evenals biologische geneesmiddelen op basis van natuurlijke AARS-varianten.

Biocon test momenteel moleculen voor de behandeling van hartfibrose, alopecia areata (een auto-immuunziekte die haaruitval veroorzaakt), en ontstekingen. Een behandeling tegen fibrose die nu in fase 1 wordt onderzocht, richt zich op de plaats op de proline synthetase die het aminozuur aan zijn tRNA koppelt. Fibrose is het gevolg van een ophoping van collageen, dat voor tweederde uit proline bestaat. Onderzoekers van Biocon hebben ontdekt dat een geneesmiddel zich op die actieve plaats kan richten en de canonieke functie met meer dan 90% kan uitschakelen in gezonde gekweekte cellen zonder de synthese van andere eiwitten of de celproliferatie erg te beïnvloeden, aldus Kim. In het begin geloofden hij en zijn collega’s hun resultaten niet, maar hij is er nu de logica van in gaan zien. “Een normale cel doet niet noodzakelijk de hele tijd aan proteïnesynthese op hoog niveau,” zegt hij. “Zolang er een zekere mate van restactiviteit is, kan een normale cel perfect gelukkig zijn.”

Voor kanker en andere aandoeningen ontwikkelt Biocon kleine molecuulkandidaten die de tRNA-aminozuurkoppelingsplaats vermijden of zich richten op de extracellulaire activiteiten van afgescheiden AARS’s, wat betekent dat de eiwitsynthese niet zou moeten worden beïnvloed. Evenzo verwachten de onderzoekers van aTyr dat de therapeutica van het bedrijf, gebaseerd op AARS-derivaten zelf, relatief veilig zullen zijn. “Als je uit een wereld van natuurlijke fysiologie komt, begin je je er beter bij te voelen”, zegt Sanjay Shukla, CEO van aTyr.

In het zich ontwikkelende netvlies van de muis verhinderen fragmenten van het tryptofaan synthetase, TrpRS, die een beperkende eiwitkap missen (B, C) de vascularisatie van een secundaire weefsellaag (rechts). (De rechter beelden omvatten de schaduwen van de aangrenzende primaire lagen, die links worden getoond.)

PNAS, 99:178-83, 2002, © 2002 NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES

Nangle en collega’s, samen met aTyr’s dochteronderneming Pangu Biopharma in Hong Kong, begonnen met het catalogiseren van natuurlijke AARS splice varianten en screenden deze vervolgens op interessante biologische activiteiten in een verscheidenheid van menselijke cel-gebaseerde assays. Ze zochten naar effecten op celproliferatie en -bescherming, immunomodulatie en ontsteking, celdifferentiatie, transcriptieregulatie en cholesteroltransport. “We dachten dat er wel enig therapeutisch voordeel te behalen viel,” zegt Schimmel.

Momenteel werkt aTyr aan een immuno-modulator gebaseerd op het WHEP-domein van het histidine-enzym HisRS. In menselijke T-celculturen bracht het volledige HisRS geactiveerde cellen tot rust en verminderde het de cytokineproductie. In verdere experimenten ontdekten de onderzoekers van aTyr dat het WHEP-domein zich verbindt met receptoren op deze immuuncellen om de activiteit te temperen. Het bedrijf hoopt dat zijn aangepaste versie van het HisRS WHEP-peptide, gekoppeld aan een beetje antilichaam om het langer in de bloedbaan te houden, hetzelfde kalmerende effect zal hebben bij een ontstekingsziekte die sarcoïdose wordt genoemd. Deze ziekte tast verschillende organen aan, meestal de longen, en vereist soms een levenslange behandeling met immuunonderdrukkende steroïden. Deze medicijnen hebben een lijst van ellende veroorzakende en gevaarlijke bijwerkingen, variërend van slapeloosheid tot glaucoom tot infectie.

aTyr presenteerde resultaten van verschillende diermodellen van inflammatoire longaandoeningen op de bijeenkomst van de American Thoracic Society in 2017, 2018 en 2019, en die bevindingen suggereren dat de kandidaat 1923 van het bedrijf er veelbelovend uitziet. Het kankermedicijn bleomycine kan bijvoorbeeld longschade veroorzaken, maar HisRS of zijn WHEP-domein verminderden ontsteking en fibrose.19 Ratten die met bleomycine werden behandeld, ademen snel om hun beschadigde longen te compenseren, maar degenen die met 1923 werden behandeld, herstelden normale ademhalingsfrequenties.

aTyr’s 1923 is al door een Fase 1-studie voor veiligheid bij gezonde mensen gegaan zonder rode vlaggen. Nu voert het bedrijf een Fase 1/2-studie uit bij mensen met sarcoïdose, om de veiligheid te bevestigen, de juiste dosering te vinden en misschien zelfs tekenen van werkzaamheid te zien. Patiënten nemen deel aan het onderzoek terwijl ze steroïden gebruiken, en het doel is om de steroïdendosering tijdens het onderzoek af te bouwen. Degenen die 1923 krijgen, hopen dat hun symptomen gelijk blijven of verbeteren, terwijl degenen die een placebo krijgen, hun symptomen zouden moeten zien verslechteren naarmate de steroïdendosering wordt verlaagd.

Het getuigt van de behoefte aan een nieuwe behandeling dat vrijwilligers bereid zijn het risico te lopen dat hun symptomen verergeren als ze in de placebo-arm terechtkomen, zegt de deelnemende arts Daniel Culver, een longarts aan de Cleveland Clinic. “Culver, die opmerkt dat een van zijn patiënten zijn steroïdenrecept “het medicijn van de duivel” noemt, omdat het bijna evenveel kwaad als goed doet. “Mensen zijn zeer, zeer gemotiveerd om iets anders te vinden.”

De studie is van plan om 36 deelnemers in te schrijven, maar is vertraagd door de COVID-19-crisis. Met zo’n kleine steekproefgrootte verwacht Culver geen “home run”, maar hij zegt dat hij hoopt dat de gegevens goed genoeg zullen zijn om een grotere fase 3-studie te starten. aTyr plant ook een fase 2, 30-persoons proef van 1923 voor respiratoire complicaties geassocieerd met COVID-19.

Als aTyr slaagt, zal het het eerste geval zijn van een therapeutisch middel dat is gebouwd op basis van een AARS – maar waarschijnlijk niet het laatste. Zoals Kim het ziet, staan AARS’s klaar om te reageren op alles wat de homeostase uitdaagt, van kanker tot het nieuwe coronavirus. “Ik hernoem de synthetases ‘Moleculaire 911’.”

Correctie (2 juni 2020): In de oorspronkelijke versie van een tabel in dit verhaal stond dat tijdens HIV-infectie het synthetase voor lysine (LysRS) wordt verpakt in nieuwe virale deeltjes die zijn UUU-sequentie gebruiken om omgekeerde transcriptie in nieuw geïnfecteerde cellen op te starten. In plaats daarvan gebruiken de virusdeeltjes LysRS om zijn cognate tRNA te leveren, dat als promotor voor omgekeerde transcriptie wordt gebruikt. The Scientist betreurt de fout.