Pourquoi certaines protéines sont non médicamentables

Une cartographie rigoureuse de tous les médicaments approuvés par la FDA a établi qu’ils agissent par seulement 667 protéines issues du génome humain.^[1] Ce génome en encode environ vingt mille. La quasi-totalité du protéome n’a jamais été touchée par un médicament, et ce n’est pas parce que la part intouchée serait sans importance.

« Non médicamentable » est le mot que le domaine emploie pour une grande part de ce qui reste, et il vaut la peine d’être précis sur ce que ce mot décrit. Ce n’est pas un verdict sur la biologie. C’est un constat sur la chimie dont nous disposons. Une protéine reçoit cette étiquette quand personne n’a encore trouvé le moyen de lui faire subir quelque chose d’utile avec une petite molécule, ce qui est un fait sur notre outillage que le domaine traite discrètement comme un fait sur la cible.^[2]

Ce que « médicamentable » exige vraiment

La découverte de médicaments classique fonctionne par occupation. Une petite molécule trouve un site sur la cible, s’y loge, et tant qu’elle y reste la protéine ne peut pas faire son travail. Ce modèle porte une exigence à laquelle on ne pense presque jamais, parce qu’elle est d’ordinaire satisfaite : la molécule doit pouvoir tenir.

Une petite molécule est, par construction, petite. Elle touche la protéine sur une surface minuscule, ce qui veut dire que sa prise doit être concentrée plutôt que dispersée. Un sillon fait cela. Dans une poche, la molécule est entourée de plusieurs côtés à la fois, et la somme de nombreux contacts faibles devient une prise assez forte pour rivaliser avec ce que la protéine lie normalement. Sur une surface ouverte et doucement courbée, la même molécule n’établit qu’un seul point de contact, et elle ne reste pas.

Une poche

Le sillon se referme autour de la molécule. De nombreux contacts faibles, sur plusieurs côtés, forment ensemble une prise qui tient.

Une surface plane

Le contact se fait en un seul point. Il n’y a rien autour de quoi se refermer, et la molécule s’en va.

Voilà pourquoi le protéome médicamenté a l’allure qu’il a. Les enzymes, les récepteurs et les canaux ioniques dominent la liste des cibles approuvées parce que leurs sites actifs sont des sillons qui ont justement évolué pour saisir de petites molécules. Nous n’avons pas choisi ces cibles parce qu’elles étaient les protéines les plus importantes dans la maladie humaine. Nous les avons choisies parce que c’étaient celles que notre chimie savait tenir.

Quatre façons pour une cible de devenir non médicamentable

L’étiquette recouvre plusieurs problèmes distincts qu’il vaut la peine de séparer, car ils ont des conséquences différentes et des issues différentes.

1. Il n’y a pas de poche

Le cas le plus courant. Les protéines qui agissent en liant d’autres protéines rencontrent leurs partenaires par des interfaces larges, planes et pauvres en relief, souvent des centaines d’angströms carrés sans aucun point d’ancrage profond. Les interactions protéine-protéine gouvernent à peu près tous les processus biologiques, ce qui en fait des cibles extrêmement attrayantes et, pendant des décennies, un synonyme d’impossible.^[3][4] La protéine pivot 14-3-3 en est l’illustration classique : plusieurs centaines de partenaires d’interaction, un rôle central dans de nombreuses maladies, et une longue période passée à être décrite dans la littérature comme non médicamentable.^[5]

2. Il n’y a pas de forme fixe

Les protéines intrinsèquement désordonnées n’adoptent pas de structure définie dans les conditions physiologiques. Elles sont abondantes, elles sont centrales dans la signalisation et la régulation, et elles mettent à mal l’idée qu’une séquence donne une structure qui donne une fonction. On ne peut pas concevoir une molécule pour épouser une forme que la cible ne tient pas de façon fiable, et même lorsqu’un liant est trouvé, la protéine demeure souvent désordonnée dans le complexe.^[6][7]

3. Il n’y a rien à éteindre

L’inhibition suppose que la protéine possède une activité qu’on peut bloquer. Beaucoup des protéines les plus lourdes de conséquences n’en ont pas. Un facteur de transcription agit en liant l’ADN et en recrutant des partenaires; une protéine d’échafaudage agit en maintenant d’autres protéines à proximité. Il n’y a pas de site catalytique à occuper, de sorte que même une molécule qui se lierait avec succès pourrait ne rien changer. Les facteurs de transcription se situent au point de convergence de nombreuses voies de signalisation, ce qui en fait des cibles particulièrement attrayantes, et on les a tenus pour non médicamentables en grande partie pour cette raison, conjuguée à la rareté de sites de liaison bien définis.^[8][9]

4. La poche existe, mais elle n’est pas sélective

Un échec plus discret, et fréquent. La cible possède un site de liaison tout à fait convenable, mais quarante proches parents en possèdent un aussi, et le site est assez conservé pour que ce qui lie l’un lie les autres. Il en va de même d’un mutant responsable de la maladie qui ne diffère de sa version saine que par un seul résidu sur une surface par ailleurs identique. Ici la chimie fonctionne et la pharmacologie non, ce qui, du point de vue d’un programme, revient au même.

L’étiquette a une date de péremption : ce que KRAS a prouvé

KRAS est l’oncogène le plus fréquemment muté dans les cancers humains. Il a aussi été, pendant une quarantaine d’années, l’exemple type de la cible non médicamentable : une petite protéine à surface lisse, sans sillon évident, et dont la prise sur son ligand naturel est bien trop forte pour qu’on puisse rivaliser. Des générations de chimistes médicinaux ont essayé et échoué.

Puis la surface s’est révélée plus structurée qu’elle n’en avait l’air. La conception fondée sur la structure a repéré, entre les régions switch I et switch II, une poche que l’on tenait pour non médicamentable, et a produit un liant nanomolaire pour celle-ci.^[10] Des inhibiteurs covalents construits contre la poche switch II d’un mutant particulier, KRAS G12C, ont ensuite atteint des patients atteints d’un cancer du poumon non à petites cellules.^[11] Une cible qui avait absorbé quarante ans d’échecs est devenue un médicament commercialisé.

On raconte d’ordinaire cette leçon sur le mode de l’optimisme, et il vaut la peine d’y mettre des nuances. KRAS prouve que l’étiquette est provisoire et non définitive, ce qui compte vraiment. Mais la percée s’est appuyée sur une cystéine réactive présente chez un mutant et pas chez les autres, et elle est arrivée après quarante ans. « Non médicamentable » ne veut pas dire jamais. Cela veut dire pas encore, selon un échéancier que personne ne peut garantir, ce sur quoi un portefeuille ne peut pas se planifier.

La dégradation ciblée pose une autre question

Chacun des échecs ci-dessus découle d’une même supposition : que la façon de traiter une protéine consiste à occuper le site qui la commande. La dégradation ciblée des protéines abandonne cette supposition. Au lieu de bloquer la protéine, elle la marque pour destruction et laisse le système ubiquitine-protéasome de la cellule l’éliminer.^[12] Trois conséquences en découlent, et chacune dissout une version différente du problème.

Il faut une prise, pas un interrupteur

Un inhibiteur doit se lier au seul site qui gouverne l’activité de la protéine. Un dégradeur n’a qu’à retenir la protéine quelque part, assez longtemps, dans une position qui permet d’apposer une étiquette d’ubiquitine. Le site de liaison n’a plus besoin d’être fonctionnellement particulier. Ce seul changement met fin au troisième cas d’échec : un facteur de transcription sans site catalytique à bloquer peut tout de même être éliminé, parce que l’élimination n’a jamais dépendu du fait de bloquer quoi que ce soit.

Éliminer la protéine l’élimine en entier

La plupart des protéines associées aux maladies font plus d’une chose. Une kinase a une activité catalytique et maintient aussi des complexes ensemble; inhibez-la et le rôle d’échafaudage survit intact, ce qui est une voie bien connue vers un résultat clinique décevant. La dégradation retire l’enzyme et l’échafaudage d’un seul coup, parce qu’il n’y a plus de protéine. Pour les cibles dont la pathologie passe par leurs interactions plutôt que par leur chimie, c’est la différence entre un effet partiel et l’effet voulu.

L’effet survit au médicament

La pharmacologie d’occupation exige que la molécule soit présente et liée de façon à peu près continue. La dégradation dépend d’un événement : une fois la cible marquée et détruite, le dégradeur est libéré pour recommencer, et la protéine reste absente jusqu’à ce que la cellule la resynthétise. Une seule molécule peut éliminer de nombreuses copies de sa cible, et l’effet biologique persiste au-delà de l’exposition au lieu d’en suivre la courbe.

Là où le problème de la poche revient

On présente souvent la dégradation comme si elle avait aboli la non-médicamentabilité. Ce n’est pas le cas, et il vaut la peine de nommer franchement cet écart, car c’est précisément là que la plupart des programmes sur cibles difficiles échouent.

Un dégradeur de type petite molécule doit toujours saisir la cible. Il porte une tête chimique pour la cible et une pour la ligase, et la tête du côté de la cible subit toutes les contraintes décrites plus haut. Donnez-lui une protéine sans poche et il n’a rien à tenir. Le premier cas d’échec survit intact au passage de l’inhibition à la dégradation; il s’est simplement déplacé du site actif vers la prise.

Ce qui comble l’écart, c’est de changer ce qui assure la prise. Les protéines reconnaissent d’autres protéines précisément par le genre d’interface large et peu profonde qui met en échec une petite molécule, parce que c’est ce que les surfaces protéiques savent faire. Un domaine de liaison génétiquement encodé, une DARPine, un nanocorps ou une miniprotéine conçue, fusionné à une ligase E3, transforme cette capacité native en dégradeur. Les travaux fondateurs sur ces bioPROTAC ont montré une latitude considérable tant dans l’ossature du liant que dans la ligase, de sorte que l’approche se généralise au lieu de dépendre d’un appariement chanceux.^[13]

HuR rend la chose concrète. C’est une protéine liant l’ARN dont la surexpression accompagne un mauvais pronostic, et elle avait résisté à l’antagonisme par petites molécules : une cible attrayante sans rien à lier. Un anticorps à domaine unique dirigé contre elle a été intégré à un bioPROTAC fondé sur TRIM21, et la dégradation de HuR a renversé le comportement protumoral de cellules cancéreuses in vivo.^[14] La protéine n’est pas devenue médicamentable. C’est ce qui assure la liaison qui a changé.

Quel problème votre cible pose-t-elle

« Non médicamentable » est trop grossier pour qu’on puisse agir dessus. La question utile est de savoir lequel des quatre cas d’échec s’applique, car la réponse oriente vers une voie différente.

S’il existe une poche convenable et que le seul problème est que la bloquer ne suffit pas, un dégradeur de type petite molécule est le choix naturel : vous avez déjà la prise. Si la poche existe mais qu’elle est partagée par toute une famille de protéines, la dégradation peut aider, puisque la sélectivité peut venir de l’étape de dégradation plutôt que de la seule liaison. Si la protéine n’a pas de site catalytique qui vaille la peine d’être bloqué mais offre une surface où se lier, la dégradation est toute la réponse. Et s’il n’y a aucune poche, ou si le seul trait distinctif est une interface plane, la question n’est pas de savoir quelle petite molécule employer, mais si le liant ne devrait pas être une protéine.

Il vaut la peine de dire que ce dernier cas n’est ni rare ni exotique. C’est là que se trouve l’essentiel du protéome inexploré, et c’est le véritable contenu de ce chiffre de 667.

Là où ProxAI intervient

ProxAI conçoit des dégradeurs génétiquement encodés pour le quatrième cas : des cibles sans poche digne de ce nom, où la seule chose à lier est une interface plane. Deux programmes, tous deux issus d’un seul cycle de conception.

Contre l’interface du dégron D-box de CDC20, un peptide de novo de 9 acides aminés a produit une réponse de mort cellulaire 9,3 fois supérieure au contrôle négatif dans des cellules HeLa, avec une puissance 2,7 fois celle de l’apcine, un inhibiteur de CDC20 de type petite molécule connu. Lire l’étude de cas CDC20.

Contre une interface kinase-effecteur d’une voie inflammatoire, un minibinder de novo de 90 acides aminés a produit une suppression de 82 % de l’effecteur ciblé, tout en laissant intactes les autres fonctions de la cible. Lire l’étude de cas sur l’inflammation.

Pour le mécanisme en détail, commencez par ce que sont les bioPROTAC, ou comparez les modalités dans BioPROTAC, PROTAC et colle moléculaire.

FAQ

Références

1. [1]

   Santos R, Ursu O, Gaulton A, et al. A comprehensive map of molecular drug targets. Nat Rev Drug Discov. 2017;16(1):19-34. doi:10.1038/nrd.2016.230

2. [2]

   Xie X, Yu T, Li X, et al. Recent advances in targeting the "undruggable" proteins: from drug discovery to clinical trials. Signal Transduct Target Ther. 2023;8(1):335. doi:10.1038/s41392-023-01589-z

3. [3]

   Skwarczynska M, Ottmann C. Protein-protein interactions as drug targets. Future Med Chem. 2015;7(16):2195-2219. doi:10.4155/fmc.15.138

4. [4]

   Hughes GR, Dudey AP, Hemmings AM, Chantry A. Frontiers in PROTACs. Drug Discov Today. 2021;26(10):2377-2383. doi:10.1016/j.drudis.2021.04.010

5. [5]

   Stevers LM, Sijbesma E, Botta M, et al. Modulators of 14-3-3 protein-protein interactions. J Med Chem. 2018;61(9):3755-3778. doi:10.1021/acs.jmedchem.7b00574

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   Santofimia-Castaño P, Rizzuti B, Xia Y, et al. Targeting intrinsically disordered proteins involved in cancer. Cell Mol Life Sci. 2020;77(9):1695-1707. doi:10.1007/s00018-019-03347-3

7. [7]

   Choudhary S, Lopus M, Hosur RV. Targeting disorders in unstructured and structured proteins in various diseases. Biophys Chem. 2022;281:106742. doi:10.1016/j.bpc.2021.106742

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   Bushweller JH. Targeting transcription factors in cancer, from undruggable to reality. Nat Rev Cancer. 2019;19(11):611-624. doi:10.1038/s41568-019-0196-7

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   Zhuang JJ, Liu Q, Wu DL, Tie L. Current strategies and progress for targeting the "undruggable" transcription factors. Acta Pharmacol Sin. 2022;43(10):2474-2481. doi:10.1038/s41401-021-00852-9

10. [10]

    Kessler D, Gmachl M, Mantoulidis A, et al. Drugging an undruggable pocket on KRAS. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019;116(32):15823-15829. doi:10.1073/pnas.1904529116

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13. [13]

    Lim S, Khoo R, Peh KM, et al. bioPROTACs as versatile modulators of intracellular therapeutic targets including proliferating cell nuclear antigen (PCNA). Proc Natl Acad Sci U S A. 2020;117(11):5791-5800. doi:10.1073/pnas.1920251117

14. [14]

    Fletcher A, Clift D, de Vries E, et al. A TRIM21-based bioPROTAC highlights the therapeutic benefit of HuR degradation. Nat Commun. 2023;14(1):7093. doi:10.1038/s41467-023-42546-2