ABOVE: © science source, Hybrid Medical Animation

Odkąd żywe organizmy budują białka w oparciu o kod przenoszony przez cząsteczki posłańca RNA, syntetazy aminoacylo-tRNA są tam obecne. Enzymy te, w skrócie AARS, łączą transferowe RNA (tRNA) z odpowiednimi aminokwasami. Wydawałoby się, że jest to wystarczająco duże zadanie dla jednej klasy enzymów – i tak było, kiedy zaczęło się życie oparte na białkach. Ale w miarę jak organizmy stawały się bardziej złożone, AARS podniosły dodatkowe domeny, które pozwalają im robić znacznie więcej.

„W czasie, gdy dochodzisz do ludzi, syntetyzator stał się bardzo ozdobiony” tymi dodatkowymi domenami, mówi Paul Schimmel, biochemik z Scripps Research Institute, który bada te dodatkowe prace.

Żywe organizmy posiadają co najmniej jeden typ cząsteczki AARS dla każdego z 20 aminokwasów białkowych. Dla niektórych aminokwasów istnieją dwie odmiany, z oddzielnym enzymem do wykorzystania w translacji białek, która odbywa się w mitochondrium. Wszystkie te syntetazy posiadają segment rdzeniowy, który jest zaangażowany w łączenie tRNA i aminokwasów, i wszystkie, z wyjątkiem jednej, posiadają jedną lub więcej dodatkowych domen pomocniczych. Ponadto, poprzez alternatywny splicing ich mRNA lub fragmentację białek na drodze potranslacyjnej, komórki mogą wytworzyć ponad 300 różnych wariantów białek z genów AARS. Niektóre z tych wariantów pełnią rolę cytokin zapalnych. Inne kierują procesem tworzenia naczyń krwionośnych. AARS dla kwasu glutaminowego i proliny są połączone w dwuczęściowe białko; łącznik między nimi wydaje się kontrolować aktywność immunologiczną i metabolizm tłuszczów, a nawet może wpływać na długość życia. Wiele AARSs zostały powiązane z chorób człowieka spowodowane przez wady nie w montażu białka, ale w tych innych, niekanonicznych funkcji.

Słyszałem, jak sceptyczny pole było o tych odkryciach. Nie winię ich. Ja też byłbym zdezorientowany.

-Xiang-Lei Yang, Scripps Research Institute

Niektórzy badacze teraz widzą enzymy jako cele leków dla raka, chorób immunologicznych i innych warunków. Firma, której Schimmel jest współzałożycielem, aTyr Pharma w San Diego, przewiduje, że białka AARS same w sobie stanowią zupełnie nową klasę leków, odmienną od małych cząsteczek lub innych leków biologicznych. Firma prowadzi obecnie badania kliniczne testujące fragment enzymu histydyny, HisRS, w leczeniu zapalnej choroby płuc.

Alternatywne funkcje AARS były znane w niższych organizmach, takich jak bakterie od lat 80-tych, ale ich działania nie są rozległe, mówi Schimmel. Następnie, począwszy od lat 90-tych, Schimmel i inni zaczęli odkrywać niekanoniczne funkcje w wyższych eukariotach, zaczynając od nieoczekiwanych ról w angiogenezie. Odkrycie nowych funkcji dla tych starożytnych białek było „wielką niespodzianką”, mówi David Dignam, biochemik z Uniwersytetu w Toledo. Ale biorąc pod uwagę różnorodne funkcje, jakie odkryli naukowcy badający AARS, z których wiele dotyka kluczowych szlaków chorobowych, Dignam mówi, że jego zdaniem podejście firmy aTyr ma sens. „Twierdzenie, że można na tej podstawie tworzyć leki, jest moim zdaniem bardzo logiczne”.

Podczas gdy inne białka przyjęły funkcje drugorzędowe, ilość i różnorodność występów ubocznych znalezionych w AARSs jest niezwykła, mówi Schimmel. I nie sądzi, że to zbieg okoliczności. Te szczególne syntetazy były obecne i dostępne dla ewolucji w celu modyfikacji, odkąd zaczęło się życie oparte na białkach. Biorąc pod uwagę ich zasadniczą rolę w syntezie białek, są one konsekwentnie produkowane i mało prawdopodobne, by zniknęły z jakiegokolwiek zdolnego do życia genomu. To czyni je stabilnym substratem dla nowych domen funkcjonalnych. Co więcej, posiadają one specyficzne miejsca wiązania aminokwasów, gotowe do interakcji z innymi białkami.

„To jest zamek i klucz”, mówi Schimmel. „Każde białko, które ma ładny łańcuch boczny pasujący do syntetazy, może w końcu zostać partnerem.”

Budowanie i blokowanie naczyń krwionośnych

Schimmel mówi, że od dawna fascynowała go pierwotna funkcja AARS: interpretacja kodu genetycznego. W latach 90-tych laboratorium Schimmela, wówczas w MIT, sekwencjonowało geny AARS. „Byliśmy zainteresowani opracowaniem małych cząsteczek, które mogłyby je namierzać i w specyficzny sposób hamować ich aktywność” – mówi. Na przykład, jeśli AARS patogenu był wystarczająco różny od tego u ludzi, rozumował, można by opracować antybiotyk, który wyłączyłby syntezę białek w czynniku zakaźnym.

ówczesny doktor Schimmela, Keisuke Wakasugi, zaciekawił się sekwencją genu kodującego TyrRS, AARS dla tyrozyny. U ludzi, TyrRS zawiera dodatkowy segment na karboksylowym końcu enzymu, cecha, która nie występuje u prokariotów i niższych eukariotów. Sekwencja aminokwasowa tej części białka była podobna do sekwencji ludzkiej cytokiny, EMAP II, która rekrutuje krążące komórki odpornościowe do tkanek, aby promować stan zapalny. Wakasugi postanowił przetestować tę domenę karboksylową pod kątem aktywności cytokinopodobnej.

„To głupi pomysł”, wspomina Schimmel. Ale Wakasugi poszedł dalej i okazało się, że domena karboksylowa TyrRS działała podobnie jak EMAP II, pobudzając hodowlane fagocyty i leukocyty do migracji i uwalniania sygnałów zapalnych. Pełna długość TyrRS, w przeciwieństwie do niej, nie miała wpływu na zachowanie komórek. Podpowiedziało to możliwość, że domena karboksylowa może zostać oderwana od TyrRS w celu realizacji funkcji immunologicznych. Na początku nikt w laboratorium nie chciał uwierzyć w to odkrycie, więc Wakasugi powtórzył eksperymenty, uzyskując takie same wyniki.

Mimo, że zajęłoby więcej niż dekadę, aby pokazać, że takie fragmenty AARS były naprawdę obecne i istotne w żywym zwierzęciu, Wakasugi wiedział, że jest na tropie. „Paul i ja byliśmy bardzo podekscytowani odkryciem nowej i nieoczekiwanej funkcji ludzkiego TyrRS,” wspomina Wakasugi, obecnie biochemik na Uniwersytecie Tokijskim. „W trakcie tego projektu czułem, że otworzyliśmy drzwi do zupełnie nowego pola badawczego”.

W ramach tego samego badania Wakasugi zbadał również aminokońcową, katalityczną domenę TyrRS, zastanawiając się, czy może ona również wpływać na migrację komórek. Zachowywała się ona w sposób przypominający cytokinę interleukinę-8 (IL-8). Zarówno amino-końcowy fragment TyrRS, jak i IL-8 wiążą się z receptorem IL-8 na niektórych leukocytach, powodując ich migrację w hodowli.

Schimmel zatrudnił Xiang-Lei Yanga, postdoca z doświadczeniem w biologii strukturalnej, aby dołączył do jego laboratorium w Scripps w La Jolla w Kalifornii i zbadał, w jaki sposób TyrRS może pełnić alternatywne funkcje. Yang skupiła się na szczególnej sekwencji aminokwasów, kwas glutaminowy-leucyna-arginina, wymaganej do aktywności cytokinowej fragmentu syntetazy. Tę samą sekwencję znaleziono również w IL-8 i pokrewnych cytokinach. W strukturach krystalicznych odkryła, że TyrRS o pełnej długości chowa ten motyw, ale jest on odsłonięty we fragmencie cytokinopodobnym.

IL-8 była znana z promowania tworzenia i wzrostu naczyń krwionośnych, więc Wakasugi również przetestował swój amino-końcowy fragment TyrRS pod kątem aktywności angiogennej. Po wstrzyknięciu myszom kawałka żelu zawierającego ten fragment, naczynia krwionośne rosły i wypełniały żel. Aby dokładniej zbadać to działanie, Schimmel zadzwonił do swojego kolegi ze Scripps Martina Friedlandera, okulisty i biologa komórki i rozwoju, i poprosił go o przetestowanie fragmentu TyrRS w jego mysich modelach unaczynienia oka. Friedlander zgodził się, ale poprosił również o kontrolę. Tak więc wraz z ludzkim fragmentem TyrRS, Wakasugi dostarczył naturalny wariant splice enzymu tryptofanu, TrpRS, w którym brakuje motywu kwas glutaminowy-leucyna-arginina.

Naukowcy byli początkowo odporni na pomysł, że AARS może mieć funkcje poza syntezą białek. Yang wspomina uczestnictwo w konferencji, krótko po tym jak Wakasugi opublikował swoją pracę na temat angiogenezy, gdzie inni nie wiedzieli, że była akolitką Schimmela. W ten sposób, incognito, „usłyszałam, jak sceptycznie podchodzono do tych odkryć” – wspomina. „Nie winię ich. Ja też byłabym zdezorientowana.”

ENZYMY ŚWIETLNE Syntetazy aminoacylo-tRNA odgrywają fundamentalną rolę w translacji białek, łącząc transferowe RNA z ich odpowiednimi aminokwasami. Ale w ciągu setek milionów lat ich istnienia, syntetazy te (AARS) podjęły się kilku pobocznych zadań. Jednym z nich jest zarządzanie rozwojem naczyń krwionośnych kręgowców. © Thom Graves
	Wielu AARS odgrywa role w rozwoju układu krwionośnego kręgowców. Podczas rozwoju, enzym serynowy SerRS obniża ekspresję czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego A (VEGF-A), zapobiegając nadmiernemu unaczynieniu.
	W dodatku, syntetyzator combo dla kwasu glutaminowego i proliny, GluProRS, łączy się z innymi białkami, tworząc kompleks inhibitora translacji aktywowanego interferonem-γ (GAIT), aby zablokować translację VEGF-A.
	Część syntetazy tryptofanu TrpRS również przyczynia się do tłumienia angiogenezy poprzez wiązanie i blokowanie receptorów VE-kadheryny na komórkach śródbłonka, aby nie mogły się połączyć w celu utworzenia wyściółki naczyń krwionośnych.
	W międzyczasie, fragment syntetazy tyrozyny TyrRS wydaje się promować wzrost naczyń krwionośnych poprzez stymulowanie migracji tych komórek śródbłonka.
Kiedy te funkcje pojawiły się w ewolucji Według biochemika z Scripps Research Institute, Paula Schimmela, dodanie domen akcesoryjnych, które wykonują takie zadania, pokrywa się z głównymi wydarzeniami w ewolucji krążenia. Pierwszy system naczyń krwionośnych, któremu brakowało śródbłonka obecnego u współczesnych kręgowców, powstał prawdopodobnie u wspólnego przodka kręgowców i stawonogów około 700 milionów do 600 milionów lat temu. Mniej więcej w tym samym czasie TyrRS nabył motyw kwas glutaminowy-lizyna-arginina, który dziś uważa się za czynnik promujący angiogenezę. Następnie, około 540 milionów do 510 milionów lat temu, u przodków kręgowców wykształcił się zamknięty układ naczyniowy, w którym krew pompowana jest przez naczynia wyścielone śródbłonkiem. W pewnym momencie, mniej więcej w tym samym okresie pół miliarda lat temu, TrpRS pozyskał domenę WHEP, która dziś reguluje jego zdolność do blokowania angiogenezy. Ponadto SerRS nabył domenę unikalną dla tego enzymu, która obecnie zapobiega nadmiernemu unaczynieniu u rozwijających się rybek zebrafish i prawdopodobnie innych kręgowców. Rola GluProRS w angiogenezie, z drugiej strony, nie wydaje się być tak precyzyjnie dopasowana czasowo do ewolucji naczyń krwionośnych. Białko łącznikowe związane razem AARSs dla enzymów kwasu glutaminowego i proliny około 800 milionów lat temu, zanim istniały układy krążenia. © THOM GRAVES
700-600 MYA Prymitywny układ krążenia pojawia się u wspólnego przodka stawonogów i kręgowców. Wyściełane śródbłonkiem naczynia krwionośne nie są jeszcze obecne. TyrRS nabywa domenę, która dziś promuje angiogenezę. 540-510 MYA Zamknięty układ krążenia, z naczyniami krwionośnymi wyściełanymi przez komórki śródbłonka, pojawia się u przodka kręgowców. TrpRS nabywa domenę, która blokuje angiogenezę u współczesnych zwierząt. SerRS nabywa domenę, która dziś reguluje rozwój naczyń krwionośnych u zebrafish i prawdopodobnie u innych kręgowców.

Wasculature and beyond

Choć funkcje TyrRS i TrpRS, które odkryli Wakasugi i współpracownicy, były interesujące, nie było jasne, czy fragmenty enzymów rzeczywiście pełniły te funkcje in vivo. Yang zdała sobie sprawę, że aby dać sobie i innym naukowcom pewność co do niekanonicznych funkcji AARSs, musiałaby znaleźć dowody, że były one obecne u zwierząt.

Zespół wciąż nie zrobił tego dla TrpRS lub TyrRS, ale Wakasugi znalazł swoją szansę z enzymem serynowym, SerRS. Wielokrotnie publikowane badania genetyczne u zebrafish zidentyfikowały defekty w rozwoju naczyń krwionośnych, gdy SerRS był zmutowany. Ale mutacje, które wyłączyły zdolność enzymu do łączenia tRNA i aminokwasów nie powodowały takich defektów, wskazując, że dzieje się coś innego.

Aby dowiedzieć się co, Yang zwróciła się do sekwencji, ochrzczonej jako UNE-S, która występuje w SerRS kręgowców, ale nie bezkręgowców. Zespół Yang – która dołączyła do wydziału Scripps w 2005 roku, a teraz dzieli laboratorium z Schimmelem – szybko zidentyfikował sekwencję lokalizacji jądrowej w obrębie UNE-S i ustalił, że mutacje zmieniające ten sygnał spowodowały defekty naczyniowe w embrionach zebrafish. Odkryli oni, że w jądrze komórkowym SerRS wydaje się minimalizować ekspresję czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego A (VEGFA). Badanie to, opublikowane w 2012 roku, było pierwszym, które zilustrowało istotną, naturalną rolę domeny akcesorycznej AARS u żywego zwierzęcia. Wkrótce potem zespół doniósł, że jądrowy SerRS blokuje VEGFA poprzez konkurowanie i zakłócanie c-Myc, czynnika transkrypcyjnego, który normalnie promuje ekspresję genu.

W międzyczasie grupy Schimmela i Yanga kontynuowały próby wyjaśnienia niekanonicznych funkcji TrpRS i TyrRS, nawet jak znaleźli więcej bocznych występów dla tych enzymów. Yang kierowała badaniami nad strukturą i mechanizmem działania fragmentu TrpRS. Odkryła, że pełnowymiarowy TrpRS nie wpływa na angiogenezę, ponieważ jest zakończony domeną WHEP – tak nazwaną, ponieważ domena ta występuje w syntazach aminoacylo tRNA dla tryptofanu (W), histydyny (H), kwasu glutaminowego (E) i proliny (P), a także w enzymach glicyny i metioniny. Zespół Yanga odkrył, że po uwolnieniu przez proteazy w przestrzeni pozakomórkowej, TrpRS wiąże się z receptorem komórkowym zwanym VE-kadheryną. Konkretnie, tryptofany w receptorze wydawały się wchodzić do miejsca aktywnego TrpRS w celu utworzenia wiązania. To dlatego Wakasugi zauważył, że tylko fragment, a nie cały TrpRS, blokował angiogenezę.

Ostatnio, Schimmel był również zainteresowany w roślinnych aminokwasów-jak związki, takie jak resweratrol, rzeczy w czerwonym winie, które uważa się przeciwdziałać stresowi oksydacyjnemu. Resweratrol i tyrozyna są podobne w tym, że oba zawierają pierścień fenolowy, a to jest ważne dla zdolności resweratrolu do wpływania na ekspresję genów pro- i antyoksydacyjnych. W 2015 roku zespół Schimmela doniósł, że w warunkach stresu TyrRS przemieszcza się do jądra ludzkich komórek hodowlanych lub żywych myszy, gdzie każdy obecny resweratrol idealnie pasuje do miejsca aktywnego TyrRS. Wyłącza to normalną aktywność katalityczną TyrRS, polegającą na łączeniu cząsteczek tyrozyny z odpowiednimi tRNA. Zamiast tego, TyrRS stymuluje aktywację PARP-1, enzymu zaangażowanego w naprawę DNA.

Kilka lat później zespół odkrył, że alternatywnie splicowana wersja TyrRS stymuluje proliferację płytek krwi u myszy i w hodowanych komórkach, i potencjalnie może być stosowana w leczeniu ludzi z niską liczbą płytek krwi.

Schimmel spodziewa się, że niekanoniczne funkcje AARS sprawią, że grupa będzie zajęta przez długi czas. „Jesteśmy ledwie zarysowując powierzchnię tego, co jest do nauczenia się,” mówi. „Jestem tak samo lub nawet bardziej podekscytowany tymi enzymami jak wtedy, gdy zaczynałem dekady temu.”

Zarządzanie stanem zapalnym i metabolizmem

As evidence of noncanonical functions for AARSs was tricklingling out of Schimmel’s lab, Paul Fox, a biochemist at the Cleveland Clinic’s Lerner Research Institute, was studying the control of inflammation in macrophages. W szczególności jego zespół badał kompleks generowany, gdy komórki były wystawione na działanie cytokiny interferon-γ. Kompleks białkowy o nazwie GAIT (od interferon-γ activated inhibitor of translation), wytwarzany w makrofagach, wiąże się i blokuje mRNA związane z zapaleniem. Wewnątrz tego kompleksu badacze znaleźli GluProRS, enzym, który zawiera AARS dla kwasu glutaminowego i proliny.

„Wpadliśmy na to zupełnie przypadkowo”, wspomina Fox. „Nie sądziłem, że jest to interesujący enzym”. Ale wiedział o pracy Schimmela i podniósł słuchawkę, aby zadzwonić do Scripps.

Jedną minutę do połączenia, Schimmel przerwał, aby powitać Foxa w tym, co Schimmel nazwał najbardziej ekscytującym obszarem badań AARS: funkcje niekanoniczne. Schimmel obiecał również swoją pomoc, mówi Fox. „Od tamtej pory był wielkim zwolennikiem i przyjacielem”. Dzięki narzędziom dostarczonym przez Sunghoon Kim, byłego postdoca laboratorium Schimmela, obecnie na Uniwersytecie Yonsei w Korei Południowej, zespół Foxa odkrył, że interferon-γ powoduje, że GluProRS staje się fosforylowany, porzuca swoje stanowisko w translacji i łączy się z innymi członkami GAIT, aby powstrzymać produkcję białek zapalnych.

Nie jest jasne, dlaczego syntetazy kwasu glutaminowego i proliny sparowały się około 800 milionów lat temu, ale Fox ma hipotezę, którą opublikował w 2018 roku. Prolina jest syntetyzowana z kwasu glutaminowego, a w tym okresie ewolucji pojawiające się białka zwierzęce zaczęły zawierać więcej proliny. Mogło to doprowadzić do wzrostu produkcji ProRS, który pochłonął całą dostępną prolinę, wymagając więcej do wytworzenia z kwasu glutaminowego. To mogło spowodować deficyt w poziomie kwasu glutaminowego, upośledzając syntezę białek. „Rozwiązaniem tego problemu było połączenie obu syntaz w jeden gen, dzięki czemu muszą być one wytwarzane w takich samych ilościach” – mówi Fox. „Żadna nie kradnie od drugiej.”

Łącznik pomiędzy dwoma syntazami jest kluczowy dla aktywności kompleksu GAIT; składa się z trzech domen WHEP, które wiążą się z docelowymi RNA. Fox spekuluje, że jakiś czas po pojawieniu się linkera, komórka wykorzystała go do regulacji stanu zapalnego.

Ostatnio zespół Foxa zastanawiał się, czy ścieżka GAIT może funkcjonować w komórkach innych niż makrofagi. Kiedy badacze przyjrzeli się komórkom tłuszczowym, zauważyli, że leczenie insuliną spowodowało fosforylację GluProRS i opuszczenie maszynerii syntezy białek. Ale nie dołączył on do innych partnerów GAIT. Zamiast tego sparował z normalnie cytozolowym białkiem zwanym białkiem transportującym kwasy tłuszczowe 1 (FATP1). Razem, molekularny duet udał się do błony komórki tłuszczowej, gdzie transporter przyniósł kwasy tłuszczowe do komórki.

Jestem tak podekscytowany, a nawet bardziej podekscytowany, o tych enzymów, jak byłem, kiedy zacząłem dekady temu.

-Paul Schimmel, Scripps Research Institute

Badacze zmodyfikowali myszy brakuje miejsca fosforylacji potrzebne do uwolnienia GluProRS znaleźć FATP1. Z mniejszą zdolność do przechowywania kwasów tłuszczowych, myszy były chude, ważące około 15 procent do 20 procent mniej niż zwierzęta kontrolne. Ponadto, żyli prawie cztery miesiące dłużej, dając im długość życia, która została zwiększona o około 15 procent. Podobny zysk u ludzi odpowiadałby dekadzie lub więcej. „Jeśli udałoby się nam namierzyć to miejsce fosforylacji, być może udałoby się nam zwiększyć długość życia” – mówi Fox. Jego laboratorium jest na bardzo wczesnym etapie poszukiwania małej cząsteczki do hamowania tego zdarzenia fosforylacji.

Rozwój leków

W różnych pracach, które AARS podjęły ponad i poza ich tradycyjną rolą, Schimmel i koledzy widzą temat: utrzymują komórki i ciała stabilne. „Wydają się być czymś, co odgrywa rolę modulatora, przywracając bardziej homeostazę,” mówi Leslie Nangle, były student z laboratorium Schimmela, który jest teraz starszym dyrektorem ds. badań w aTyr Pharma. Wielu badaczy uważa, że ryzykowne jest manipulowanie tak istotnymi enzymami, mówi Kim, ale on i Schimmel widzą potencjał w celowaniu w AARS w leczeniu chorób. Firma aTyr należąca do Schimmela, której współzałożycielami są również Kim i Yang, ma nadzieję przekształcić same enzymy w terapeutyki biologiczne. Ponadto w Seulu Kim kieruje organizacją non-profit zajmującą się odkrywaniem leków Biocon, gdzie naukowcy opracowują kilka małych cząsteczek, które wchodzą w interakcje z AARS, a także leki biologiczne oparte na naturalnych wariantach AARS.

Biocon obecnie testuje cząsteczki do leczenia zwłóknienia mięśnia sercowego, łysienia plackowatego (choroba autoimmunologiczna, która powoduje utratę włosów) i zapalenia. Leczenie zwłóknienia obecnie w fazie 1 badania celuje w miejsce na syntetazy proliny, która łączy aminokwas z jego tRNA. Zwłóknienie wynika z nagromadzenia kolagenu, który w dwóch trzecich składa się z proliny. Naukowcy z firmy Biocon odkryli, że lek może podążać za tym miejscem aktywnym, strącając kanoniczną funkcję o ponad 90 procent w zdrowych hodowanych komórkach, bez znacznego wpływu na syntezę innych białek lub proliferację komórek, mówi Kim. Na początku on i jego koledzy nie wierzyli w swoje wyniki, ale on zaczął dostrzegać w nich sens. „Normalna komórka niekoniecznie robi syntezę białek na wysokim poziomie przez cały czas”, mówi. „Tak długo, jak ma pewien stopień aktywności resztkowej dzieje, a następnie normalna komórka może być całkowicie szczęśliwy”.

Dla raka i innych schorzeń, Biocon opracowuje kandydatów na małe cząsteczki, które unikają miejsca łączenia tRNA z aminokwasem lub celują w zewnątrzkomórkową aktywność wydzielanych AARS-ów, co oznacza, że synteza białek nie powinna zostać naruszona. Podobnie, naukowcy z firmy aTyr oczekują, że terapeutyki tej firmy, oparte na samych pochodnych AARS, będą stosunkowo bezpieczne. „Pochodząc ze świata naturalnej fizjologii, zaczynasz czuć się z tym lepiej”, mówi dyrektor generalny aTyr Sanjay Shukla.

W rozwijającej się siatkówce myszy, fragmenty syntetazy tryptofanu, TrpRS, którym brakuje ograniczającej czapki białkowej (B, C) zapobiegają unaczynieniu wtórnej warstwy tkanki (po prawej). (Prawe obrazy zawierają cienie przylegających warstw pierwotnych, które są pokazane po lewej stronie.)

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

Nangle i współpracownicy, wraz z filią aTyr’s Pangu Biopharma w Hong Kongu, zaczęli od skatalogowania naturalnych wariantów splicingowych AARS, a następnie zbadania ich pod kątem interesujących działań biologicznych w różnych testach opartych na ludzkich komórkach. Poszukiwano wpływu na proliferację i ochronę komórek, immunomodulację i stan zapalny, różnicowanie komórek, regulację transkrypcji i transport cholesterolu. „Uznaliśmy, że musi być w tym jakaś korzyść terapeutyczna,” mówi Schimmel.

Obecnie firma aTyr pracuje nad immunomodulatorem opartym na domenie WHEP enzymu histydynowego HisRS. W hodowlach ludzkich komórek T, pełna długość HisRS wyciszyła aktywowane komórki i zmniejszyła produkcję cytokin. W dalszych eksperymentach badacze aTyr odkryli, że domena WHEP łączy się z receptorami na tych komórkach odpornościowych, aby stłumić ich aktywność. Firma ma nadzieję, że jej zmodyfikowana wersja peptydu WHEP HisRS, połączona z odrobiną przeciwciała, aby dłużej utrzymywała się w krwiobiegu, będzie miała taki sam efekt wyciszający w chorobie zapalnej zwanej sarkoidozą. Choroba ta dotyka różnych narządów, najczęściej płuc, i czasami może wymagać dożywotniego leczenia sterydami immunosupresyjnymi. Leki te mają listę wywołujących nieszczęście i niebezpiecznych skutków ubocznych, od bezsenności, przez jaskrę, po infekcje.

aTyr przedstawił wyniki z kilku modeli zwierzęcych zapalnej choroby płuc na spotkaniu American Thoracic Society w 2017, 2018 i 2019 roku, a ustalenia te sugerują, że kandydat firmy 1923 wygląda obiecująco. Na przykład lek przeciwnowotworowy bleomycyna może powodować uszkodzenie płuc, ale HisRS lub jego domena WHEP zmniejszyły stan zapalny i zwłóknienie.19 Szczury leczone bleomycyną oddychają szybko, aby zrekompensować ich uszkodzone płuca, ale te leczone 1923 odzyskały normalne tempo oddychania.

aTyr’s 1923 przeszedł już przez badanie fazy 1 pod kątem bezpieczeństwa u zdrowych ludzi bez żadnych czerwonych flag. Teraz firma prowadzi badanie fazy 1/2 u osób z sarkoidozą, chcąc potwierdzić bezpieczeństwo, znaleźć odpowiednią dawkę, a może nawet dostrzec oznaki skuteczności. Pacjenci biorą udział w badaniu podczas przyjmowania sterydów, a celem jest zmniejszenie dawki sterydów w trakcie badania. Ci, którzy otrzymują 1923, mają nadzieję, że ich objawy pozostaną takie same lub ulegną poprawie, natomiast ci, którzy otrzymują placebo, powinni zauważyć pogorszenie w miarę zmniejszania dawek sterydów.

Jest to świadectwo potrzeby nowego leczenia, że ochotnicy są gotowi zaryzykować, że ich objawy nasilą się, jeśli skończą w ramieniu placebo, mówi uczestniczący lekarz Daniel Culver, pulmonolog w Cleveland Clinic. „Bardzo toksyczne”, mówi Culver, który zauważa, że jeden z jego pacjentów nazywa przepisywane przez siebie sterydy „diabelskim lekiem”, ponieważ wyrządzają one prawie tyle samo szkody, co pożytku. „Ludzie są bardzo, bardzo zmotywowani, aby znaleźć coś innego”.

Studium planuje zapisać 36 uczestników, ale zostało opóźnione przez kryzys COVID-19. Z tak małą próbką, Culver nie spodziewa się „home run”, ale mówi, że ma nadzieję, że dane będą wystarczająco dobre, aby rozpocząć większe badanie fazy 3. aTyr planuje również badanie fazy 2, 30-osobowe badanie 1923 na powikłania oddechowe związane z COVID-19.

Jeśli aTyr odniesie sukces, będzie to pierwszy przypadek terapii zbudowanej z AARS – ale prawdopodobnie nie ostatni. Jak widzi to Kim, AARS są gotowe i czekają, aby odpowiedzieć na wszystko, co stanowi wyzwanie dla homeostazy, od raka do nowego koronawirusa. „Zmieniam nazwę syntetazy na 'Molekularny 911′”.

Sprostowanie (2 czerwca 2020 r.): Oryginalna wersja tabeli w tej historii stwierdziła, że podczas infekcji HIV syntetyzator dla lizyny (LysRS) jest pakowany w nowe cząstki wirusowe, które wykorzystują jego sekwencję UUU do prime odwrotnej transkrypcji w nowo zainfekowanych komórkach. Cząsteczki wirusowe używają raczej LysRS do dostarczenia swojego tRNA, który jest używany jako promotor odwrotnej transkrypcji. The Scientist żałuje tego błędu.