Η δομική βάση αναγνώρισης υδατανθράκων από ανθρώπινες γαλεκτίνες
Authors: Τσαγκαράκου Αναστασία 
Published: January 2024

Η οικογένεια των λεκτινών περιλαμβάνει ένα μεγάλο εύρος πρωτεϊνών που προσδένουν επιλεκτικά υδατάνθρακες των γλυκοπρωτεϊνών της κυτταρικής επιφάνειας. Στην οικογένεια αυτή ανήκουν οι γαλεκτίνες. Oι γαλεκτίνες εμπλέκονται σε μια πληθώρα βιολογικών διεργασιών μέσω της πρόσδεσής τους σε γλυκοσυζεύγματα της κυτταρικής επιφάνειας, αναγνωρίζοντας τους β-γαλακτοζιδικούς επίτοπους. Ένα κοινό χαρακτηριστικό τους αποτελεί η ύπαρξη τουλάχιστον μιας καλά συντηρημένης επικράτειας αναγνώρισης υδατανθράκων (Carbohydrate Recognition Domain, CRD). Μέχρι σήμερα 16 γαλεκτίνες έχουν βρεθεί στα θηλαστικά ενώ οι 12 εκφράζονται και στον άνθρωπο. Οι ανθρώπινες γαλεκτίνες μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση την οργάνωση των CRDs σε τρεις ομάδες: τις πρωτότυπες γαλεκτίνες, οι οποίες περιέχουν μια CRD και σε αυτή την ομάδα ανήκουν οι γαλεκτίνες 1, 2, 7, 10, 13, 14 και 16, τις χιμαιρικού τύπου γαλεκτίνες που η CRD είναι συνδεδεμένη με μια επικράτεια που δεν είναι χαρακτηριστική της οικογένειας των λεκτινών και σε αυτή την ομάδα ανήκει η γαλεκτίνη-3 και στις επαναλαμβανόμενες τύπου γαλεκτίνες οι οποίες αποτελούνται από δύο CRDs και στην ομάδα αυτή ανήκουν οι γαλεκτίνες 4, 8, 9 και 12. Η CRD αποτελείται από 130-140 κατάλοιπα που σχηματίζουν μία σφαιρική δομή που είναι υπεύθυνη για τη σύνδεση των σακχαριτών. Το μοτίβο αναδίπλωσης της περιοχής αυτής αποτελείται από δύο αντιπαράλληλα β-πτυχωτά φύλλα που συγκροτούνται από 6 β-κλώνους που δημιουργούν την κοίλη πλευρά (S1-S6) και 5 β-κλώνους που δημιουργούν την κυρτή πλευρά (F1- F5). Η πρωτοταγής δομή των CRDs των ανθρώπινων γαλεκτινών είναι αρκετά συντηρημένη (20-50%). Εμπλέκονται σε πολλές παθολογικές καταστάσεις, όπως είναι οι καρδιαγγειακές παθήσεις, η ανάπτυξη και η εξέλιξη του καρκίνου, αυτοάνοσα νοσήματα και μεταβολικές διαταραχές. Λόγω των σημαντικών τους ρόλων, οι γαλεκτίνες θεωρούνται ως πρωτεΐνες στόχοι για την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών προσεγγίσεων. Η μοναδική χιμαιρικού τύπου γαλεκτίνη-3 αποτελεί μία από τις πιο μελετημένες πρωτεΐνες της οικογένειας. Εμπλέκεται σε πολλές παθοφυσιολογικές καταστάσεις και γίνονται πολλές προσπάθειες για την ανάπτυξη ενώσεων που θα προσδένονται ειδικά και θα μπορούσαν να αποτελέσουν εν δυνάμει φάρμακα. Μέχρι σήμερα, έχουν πραγματοποιηθεί περίπου 31 κλινικές μελέτες, οι οποίες μελετούν την επίδραση των ενώσεων που προσδένονται στη γαλεκτίνη-3 στην ανάπτυξη καρκινικών όγκων, στην οστεοαρθρίτιδα, στην πνευμονική ίνωση καθώς και στη νόσο COVID-19. Οι ενώσεις αυτές είναι συνθετικές μικρού και μεγάλου μοριακού βάρους, μονοκλωνικά αντισώματα και φυσικά πολυμερή όπως οι πηκτίνες. Οι πιο ειδικοί και με υψηλή συγγένεια ανταγωνιστές ως προς τη γαλεκτίνη-3 που έχουν βρεθεί μέχρι σήμερα, είναι ανάλογα θειοδιγαλακτόζης που φέρουν υποκαταστάτες αρυλ-τριαζόλης στον C3 και των δύο μορίων της γαλακτόζης, και εμφανίζουν τιμές KD της τάξεως των nM. Μία τέτοια ένωση αποτελεί η GB0139, η οποία βρίσκεται σε φάση κλινικών μελετών 2b για τη θεραπεία της πνευμονικής ίνωσης. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν 46 ενώσεις, με κρυσταλλογραφία ακτινών-Χ και θερμιδομετρία ισοθερμικής τιτλοδότησης (ITC), με στόχο την εύρεση ενώσεων-οδηγών για την περαιτέρω ανάπτυξη ανταγωνιστών, που θα εμφανίζουν υψηλή εξειδίκευση και συγγένεια ως προς τη γαλεκτίνη-3. Μιας και οι πλέον ισχυροί ανταγωνιστές που έχουν βρεθεί για την γαλεκτίνη-3 μέχρι σήμερα ήταν παράγωγα θειοδιγαλακτοζιτών όπου τα δύο σάκχαρα συνδέονται μέσω θείου με 1→1 δεσμούς, η πρώτη ομάδα ενώσεων που μελετήθηκε είναι θειοδισακχαρίτες, στις οποίες τα δύο σάκχαρα συνδέονται μεταξύ τους μέσω θείου με 1→2 δεσμούς. Η δεύτερη συλλογή ενώσεων που μελετήθηκε περιλάμβανε ενώσεις που έχουν ένα κοινό κορμό β-D-γαλακτοπυρανοζίτη και φέρουν υποκαταστάτες, φαινυλίου, πυριμιδίνης, τριαζόλης, τετραζόλης και καρβονυλίων. Λόγω της υψηλής συντήρησης της CRD στην οικογένεια των λεκτινών η πρόσδεση των παραπάνω ενώσεων μελετήθηκε και στις γαλεκτίνες-7, 8Ν και 10, με στόχο τη διερεύνηση της εξειδίκευσης τους. Από την πρώτη ομάδα ενώσεων, 13, 14, 15, και 17, βρέθηκε πως ο καλύτερος ανταγωνιστής ήταν ο 14 που εμφάνισε KD 8 μΜ για τη γαλεκτίνη-3. Ανάλυση των παραμέτρων θερμοδυναμικής δέσμευσης των ανταγωνιστών στη γαλεκτίνη-3, αποκάλυψε ότι η ελεύθερη ενέργεια πρόσδεσης Gibbs (ΔG) τους κυριαρχείται από μεταβολές στην ενθαλπία (ΔΗ). Ο δομικός τρόπος σύνδεσης των 1,2-θειοδισακχαριτών στη γαλεκτίνη-3 μελετήθηκε με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ αποκαλύπτοντας το μοναδικό ρόλο των διαμεσολαβούμενων από μόρια ύδατος αλληλεπιδράσεων δεσμών υδρογόνου στην ενίσχυση της πρόσδεσης μέσω ενίσχυσης της ενθαλπίας. Αυτό το ικρίωμα, 1,2-θειοδισακχαρίτη μπορεί να αποτελέσει μια νέα ένωση-οδηγό για την ανακάλυψη ανταγωνιστών της γαλεκτίνης-3. Από τη δεύτερη ομάδα, 41 ενώσεων, βρέθηκε πως οι LL80, HA087, HA088, KS782, HL210-2, KISZ322, KISZ340, KISZ333IAB, KM191, KM192, HL233, HL241, HL247 και ΗL248, εμφανίζουν επιλεκτικότητα για τη γαλεκτίνη-3, έναντι των γαλεκτινών-7, 8Ν και 10. Ανάλογα με τη σταθερά σύνδεσης τους, με βάση τον δομικό τρόπο πρόσδεσης τους στη γαλεκτίνη-3, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως νέες ενώσεις-οδηγοί για την ανάπτυξη εκλεκτικών ανταγωνιστών της γαλεκτίνης-3, παρέχοντας νέες προοπτικές για τη θεραπευτική προσέγγιση πληθώρας ασθενειών. Τέλος, μελετήθηκε ο δομικός τρόπος πρόσδεσης της ένωσης HMOB11-1 στη γαλεκτίνη-7. Η ένωση αυτή εμφανίζει υψηλή συγγένεια πρόσδεσης (KD = 2,4 μΜ), και σήμερα πραγματοποιούνται μελέτες ex vivo για την εύρεση της αποτελεσματικότητας της στη θεραπεία του καρκίνου των ωοθηκών.