Tyrosin-Phosphorylierung spielt eine wichtige Rolle bei der Signaltransduktion in den Zellen1,2. Diese posttranslationale Modifikation wird durch Protein-Tyrosin-Kinasen (PTKs) katalysiert und durch Protein-Tyrosinphosphatasen (PTP) umgekehrt. Daher führt abnorme PTK- oder PTP-Funktion zu vielen vererbten oder erworbenen menschlichen Krankheiten3,4,5,6. Die Src-homology 2 (SH2) domänenhaltige Phosphatase 2 (SHP2) ist ein weit verbreiteter Nicht-Rezeptor-Typ PTP, der vom Proto-Onkogen PTP117 kodiert wird und ein wichtiger Regulator zahlreicher physiologischer Prozesse ist, die Signaltransduktion durch Aktivierung der Ras/Raf/ERK,PI3K/Akt oder JAK/STAT-Signalwege8beinhalten. Normalerweise ist die SHP2-Aktivität streng reguliert, um eine abnorme Signalisierung zu verhindern. Unter basalen Bedingungen wird SHP2 durch seine N-Terminal-DOMÄNE SH2 automatisch gehemmt, die den Zugriff auf den aktiven Standort innerhalb der katalytischen Phosphatase-Domäne blockiert (Abbildung 1A)9,10. Bei der Zellaktivierung rekrutieren Tyrosinphosphorylbindungsproteine SHP2, wodurch es seine aktive Konformation annimmt, bei der die aktive Stelle nun für ihre Substrate zugänglich ist. Bei vielen Krebsarten ist die SHP2-Aktivität erhöht. Somatische Gain-of-Function-Mutationen (GOF) in PTPN11 wurden hauptsächlich bei Leukämien identifiziert und verhindern die Bindung der N-SH2-Domäne an die Phosphatase-Domäne, was zu konstitutiv aktivem SHP2 (Abbildung 1B)11 führt. Germline GOF-Mutationen in PTPN11 sind verantwortlich für 50% der Fälle von Noonan-Syndrom, eine Entwicklungsstörung mit einem erhöhten Risiko für Malignität12. Bei soliden Tumoren, bei denen PTPN11-Mutationen selten sind, führen höhere Konzentrationen phosphorylierter Bindungsproteine zu einer verbesserten SHP2-Aktivität (Abbildung 1C). SHP2 ist auch wichtig für die Immun-Checkpoint-Signalisierung, da Checkpoint-Rezeptoren wie BTLA oder PD-1 SHP2 rekrutieren, um wichtige Signalmoleküle zu dephosphorisieren und die Aktivierung von Immunzellen zu verhindern13,14,15.
Die Ausrichtung von PTPs mit kleinen Molekülen war eine Herausforderung, da die aktive Stelle von PTPs hochkonserviert und hoch aufgeladen ist; Inhibitoren, die auf die aktive Stelle abzielen, sind oft potent, weisen jedoch eine schlechte Selektivität und orale Bioverfügbarkeitauf 16,17,18,19,20,21,22. Tatsächlich leiden viele berichtete SHP2-Hemmer an schlechter Selektivität und mangelnder Wirksamkeit in den Zellen23. Kürzlich wurden allosterische Inhibitoren von SHP2 mit guter Potenz und ausgezeichneter Selektivität berichtet (z. B. SHP09924 und RMC-455025) und haben erneutes Interesse an SHP2-Inhibitoren geweckt. Verbindungen auf Basis von SHP099 und RMC-4550 befinden sich derzeit in klinischen Phase-I-Studien zur Behandlung solider Tumoren mit Rezeptor-Tyrosinkinase (RTK) Signalwegaktivierung26,27. Während wegweisend, Diese Verbindungen sind unwirksam gegen viele der SHP2 onkogene Erbmutanten, die Leukemogenese bei einer signifikanten Anzahl von Blutkrebspatienten28,29,30. Dieser Mangel an Potenz von SHP099-ähnlichen Verbindungen gegenüber den sHP2 onkogenen Varianten ergibt sich aus ihrem einzigartigen allosterischen Mechanismus, da sie die SHP2-Aktivität hemmen, indem sie die inaktive, geschlossene Konformation binden und stabilisieren, die in SHP2-Mutanten gestört wird. Darüber hinaus sind auf der Grundlage eines aktuellen Berichts31adaptive Resistenzmechanismen bei Patienten, die mit SHP099-ähnlichen Inhibitoren behandelt wurden, durchaus denkbar. Folglich ist die Entwicklung von SHP2-Inhibitoren der nächsten Generation, die auf ihren aktiven, offenen Zustand abzielen, Gegenstand intensiver Forschung.
Die Charakterisierung neuartiger SHP2-Inhibitoren in Zellen ist ein wesentlicher Aspekt des Lead-Optimierungsprozesses. Entscheidend ist, dass das bewährte Zielengagement des Inhibitors unter physiologischen Bedingungen ein zusätzliches Maß an Vertrauen dafür bietet, dass Ressourcen für die medizinische Chemie effizient auf Verbindungen mit vielversprechender zellulärer Wirksamkeit eingesetzt werden. In der Vergangenheit wurden mehrere Methoden zur Beurteilung der Bindung kleiner Molekülinhibitoren an ihre Targets entwickelt, vor allem für Proteinkianasen32. Um einen SHP2-Zellziel-Engagement-Assay zu entwickeln, haben wir einen zellulären thermischen Schichttest33verwendet. Dieser Assay, ähnlich wie der In-vitro-Thermoshift-Assay (PTS) für Proteine34, überwacht die thermische Stabilität des Zielproteins, die typischerweise durch die Bindung kleiner Moleküle verändert wird. Der ursprüngliche Assay ist ein Test mit niedrigem Durchsatz, der Antikörper nutzt, um den Zielproteinspiegel zu quantifizieren. Alternativ haben wir uns für eine kürzlich gemeldete Variante des thermischen Schicht-Assays entschieden, die eine β-Galactosidase-Enzymfragmentkomplementierung (EFC) verwendet (Abbildung 2)35. Für diese Experimente wird das Protein von Interesse in Zellen als N- oder C-terminales Fusionsprotein mit einem verbesserten ProLabel-Tag (ePL, einem 42-Aminosäure-Fragment von β-Galactosidase) ausgedrückt. Die Zellen werden dann auf 384-Well-PCR-kompatible Platten übertragen und mit verbindungen von Interesse inkubiert. Ein Thermocycler wird verwendet, um einen Temperaturgradienten auf die Zellen anzuwenden, deren Proteine denaturieren und aggregieren, wenn die Temperatur aufgrund ihrer thermischen Stabilität steigt. Die Fähigkeit einer Kandidatenverbindung, das Protein von Interesse zu binden und zu stabilisieren, führt zu einer erhöhten thermischen Stabilität dieses Proteins. Daher bleiben nach der Lyse der Zellen die getaggten Proteine, die durch eine Kandidatenverbindung stabilisiert wurden, bei höheren Temperaturen in Lösung als markierte Proteine von Zellen, die mit Fahrzeugkontrolle inkubiert werden. Reporter-Enzym-Akzeptor (EA) ist in der Lage, die löslichen ePL-markierten Proteine zu ergänzen, was zu einer nachweisbaren β-Galactosidase-Aktivität mit einem Lumineszenzsubstrat führt.
Wir haben vor kurzem einen robusten zellulären thermischen Schichttest für Wildtyp SHP2 (SHP2-WT) und eine häufige SHP2 onkogene Variante (SHP2-E76K) in einem miniaturisierten 384-Well-Format36entwickelt. Hier berichten wir über ein detailliertes Protokoll dieses Assays, das das Zielengagement von SHP2-Inhibitoren in Zellen zuverlässig erkennt und einen hohen Grad an Korrelation zwischen Inhibitor-Potenz und zellulären thermischen Schichtdaten aufzeigt. Der allgemeine Assay-Workflow ist in Abbildung 3dargestellt. Unsere Plattform verwendet N-terminalmarkierte ePL-SHP2-Fusionsproteine in voller Länge. Zur Erzeugung der entsprechenden pICP-ePL-N-SHP2-WT und pICP-ePL-N-SHP2-E76K Expressionsplasmide finden Sie in unserer aktuellen Publikation36. Dieser Test kann mit einem thermischen Gradienten durchgeführt werden, um SHP2-Thermoprofile zu erstellen und SHP2-Schmelztemperaturen in Gegenwart oder Abwesenheit von Inhibitoren zu bestimmen. Sobald thermische Profile erstellt wurden, kann es auch unter isothermen Bedingungen durchgeführt werden, so dass Inhibitor Dosis-Wirkungs-Bewertung. Beide Arten von Experimenten werden im Folgenden beschrieben.