Le Proteine Designer Superano l'Insulina ed Evitano gli Effetti Collaterali che Promuovono il Cancro

Il recettore dell'insulina (IR) è un regolatore centrale del metabolismo, della crescita e della proliferazione cellulare. Quando l'insulina si lega, innesca cambiamenti conformazionali nei domini extracellulari dell'IR che avvicinano i domini chinasici intracellulari, consentendo la trans-autofosforilazione e l'attivazione di due principali vie di segnalazione a valle: la via AKT (che governa il metabolismo del glucosio) e la via MAPK/ERK (che governa la proliferazione cellulare). Una disregolazione di queste vie è alla base sia del diabete che di alcuni tumori. Una sfida di lunga data consiste nel separare questi due output per creare terapie che abbassino la glicemia senza favorire la crescita tumorale.

Il gruppo di ricerca, comprendente l'Università di Washington, la Columbia University e la UT Southwestern, ha utilizzato la progettazione computazionale de novo di proteine per costruire agonisti dell'IR interamente sintetici. I ricercatori hanno dapprima progettato molecole leganti per due distinti siti di legame dell'insulina sul dominio extracellulare dell'IR: il sito-1 (domini L1/α-CT) e il sito-2 (dominio F1). Un legante del sito-2 denominato S2B ha raggiunto un'affinità di 1,9 nM per il dominio F1 dell'IR — molto più elevata di quella dell'insulina stessa (21 µM su quel sito) — mantenendo la termostabilità a 95°C. I ricercatori hanno poi fuso i leganti del sito-1 e del sito-2 mediante linker di rigidità variabile, da catene flessibili glicina-serina (GS) di diversa lunghezza a connessioni elicoidali rigide progettate computazionalmente con RFdiffusion.

L'orientamento e la rigidità della fusione hanno condizionato in modo marcato l'output di segnalazione. Le fusioni orientate da S1 a S2 si sono comportate da agonisti parziali o addirittura da antagonisti dell'insulina. Le fusioni orientate da S2 a S1 con linker flessibili erano agonisti biased, in grado di attivare AKT in modo paragonabile all'insulina ma di elicitare solo circa il 40% dell'attivazione di ERK indotta dall'insulina — un profilo potenzialmente vantaggioso che separa la segnalazione metabolica da quella mitogenica. Le fusioni con linker rigidi (RF-405 e RF-409), progettate per bloccare il recettore nella sua conformazione attiva, erano agonisti completi ed equilibrati, equivalenti all'insulina per tutti gli output misurati: autofosforilazione dell'IR, attivazione di AKT e di ERK.

In modo cruciale, il gruppo ha dimostrato che queste differenze di segnalazione avevano reali conseguenze biologiche. I design flessibili con bias per AKT stimolavano la traslocazione dei trasportatori del glucosio e l'uptake di glucosio in modo analogo all'insulina, ma inducevano una proliferazione delle cellule tumorali significativamente inferiore. RF-405 abbassava la glicemia nei topi in modo più potente e prolungato rispetto all'insulina. Diversi design hanno mantenuto la piena attività su mutanti dell'IR (ad es. R1174Q, W1193L) che causano grave insulinoresistenza perturbando il legame dell'insulina — un risultato di diretta rilevanza per i pazienti portatori di queste mutazioni che non rispondono alla terapia insulinica convenzionale. Le strutture ottenute mediante cryo-EM hanno confermato che le proteine progettate si legavano all'IR nei siti previsti e stabilizzavano conformazioni attive distinte.

Questo lavoro dimostra che la conformazione dell'IR e la dinamica del linker codificano direttamente la specificità della segnalazione a valle, e che la progettazione de novo di proteine può esplorare sistematicamente questo spazio. Gli agonisti progettati sono ipertermostaili, altamente specifici (nessuna cross-attivazione di IGF1R) e più facili da produrre rispetto all'insulina, rispondendo così ai principali limiti delle attuali terapie per il diabete. Sebbene gli studi nei topi siano incoraggianti, la traduzione nell'uomo richiede un'ulteriore ottimizzazione farmacocinetica e test di sicurezza.