La quimiogenómica , o genómica química , es la selección sistemática de bibliotecas químicas específicas de moléculas pequeñas frente a familias objetivo de fármacos individuales (p. ej., GPCR , receptores nucleares , quinasas , proteasas , etc.) con el objetivo final de identificar nuevos fármacos y objetivos farmacológicos. [1] Por lo general, algunos miembros de una biblioteca objetivo se han caracterizado bien donde se ha determinado tanto la función como los compuestos que modulan la función de esos objetivos ( ligandos en el caso de receptores , inhibidores de enzimas o bloqueadores de canales iónicos ). identificado. Otros miembros de la familia diana pueden tener funciones desconocidas sin ligandos conocidos y, por tanto, se clasifican como receptores huérfanos . Al identificar aciertos de detección que modulan la actividad de los miembros menos caracterizados de la familia objetivo, se puede dilucidar la función de estos nuevos objetivos. Además, los resultados obtenidos en estos objetivos pueden utilizarse como punto de partida para el descubrimiento de fármacos . La finalización del proyecto del genoma humano ha proporcionado una gran cantidad de objetivos potenciales para la intervención terapéutica. La quimiogenómica se esfuerza por estudiar la intersección de todos los fármacos posibles en todos estos objetivos potenciales. [2]
Un método común para construir una biblioteca química objetivo es incluir ligandos conocidos de al menos uno y preferiblemente varios miembros de la familia objetivo. Dado que una parte de los ligandos que fueron diseñados y sintetizados para unirse a un miembro de la familia también se unirán a miembros adicionales de la familia, los compuestos contenidos en una biblioteca química específica deben unirse colectivamente a un alto porcentaje de la familia objetivo. [3]
La quimiogenómica integra el descubrimiento de objetivos y fármacos mediante el uso de compuestos activos, que funcionan como ligandos, como sondas para caracterizar las funciones del proteoma . La interacción entre un pequeño compuesto y una proteína induce un fenotipo. Una vez caracterizado el fenotipo, podríamos asociar una proteína a un evento molecular. En comparación con la genética , las técnicas de quimiogenómica son capaces de modificar la función de una proteína en lugar de la del gen. Además, la quimiogenómica puede observar la interacción y la reversibilidad en tiempo real. Por ejemplo, la modificación de un fenotipo puede observarse sólo después de la adición de un compuesto específico y puede interrumpirse después de su retirada del medio.
Actualmente, existen dos enfoques quimiogenómicos experimentales: quimiogenómica directa (clásica) y quimiogenómica inversa. La quimiogenómica directa intenta identificar objetivos farmacológicos buscando moléculas que den un determinado fenotipo en células o animales, mientras que la quimiogenómica inversa pretende validar fenotipos buscando moléculas que interactúen específicamente con una proteína determinada. [4] Ambos enfoques requieren una colección adecuada de compuestos y un sistema modelo apropiado para detectar los compuestos y buscar la identificación paralela de objetivos biológicos y compuestos biológicamente activos. Los compuestos biológicamente activos que se descubren mediante enfoques de quimiogenómica directa o inversa se conocen como moduladores porque se unen y modulan objetivos moleculares específicos, por lo que podrían usarse como "terapias dirigidas". [1]
En la quimiogenómica directa, también conocida como quimiogenómica clásica, se estudia un fenotipo particular y se identifican pequeños compuestos que interactúan con esta función. Se desconoce la base molecular de este fenotipo deseado. Una vez identificados los moduladores, se utilizarán como herramientas para buscar la proteína responsable del fenotipo. Por ejemplo, un fenotipo de pérdida de función podría ser una detención del crecimiento del tumor. Una vez que se han identificado los compuestos que conducen a un fenotipo objetivo, el siguiente paso debería ser identificar los genes y las proteínas objetivo. [5] El principal desafío de la estrategia de quimiogenómica avanzada radica en el diseño de ensayos fenotípicos que conduzcan inmediatamente desde la detección hasta la identificación del objetivo.
En quimiogenómica inversa se identificarán pequeños compuestos que perturban la función de una enzima en el contexto de una prueba enzimática in vitro. Una vez identificados los moduladores, el fenotipo inducido por la molécula se analiza en una prueba en células o en organismos completos. Este método identificará o confirmará el papel de la enzima en la respuesta biológica. [5] La quimiogenómica inversa solía ser prácticamente idéntica a los enfoques basados en objetivos que se han aplicado en el descubrimiento de fármacos y la farmacología molecular durante la última década. Esta estrategia ahora se ve reforzada por la selección paralela y por la capacidad de realizar optimización de clientes potenciales en muchos objetivos que pertenecen a una familia de objetivos.
La quimiogenómica se ha utilizado para identificar el modo de acción (MOA) de la medicina tradicional china (MTC) y Ayurveda . Los compuestos contenidos en las medicinas tradicionales suelen ser más solubles que los compuestos sintéticos, tienen “estructuras privilegiadas” (estructuras químicas que con mayor frecuencia se unen a diferentes organismos vivos) y tienen factores de seguridad y tolerancia mejor conocidos. Por tanto, esto los hace especialmente atractivos como recurso para estructuras líderes a la hora de desarrollar nuevas entidades moleculares. Las bases de datos que contienen estructuras químicas de compuestos utilizados en medicina alternativa junto con sus efectos fenotípicos, análisis in silico, pueden ser útiles para ayudar a determinar MOA, por ejemplo, al predecir objetivos de ligandos que eran relevantes para fenotipos conocidos para las medicinas tradicionales. [6] En un estudio de caso de MTC, se evaluó la clase terapéutica de “medicina tonificante y reponedora”. Las acciones terapéuticas (o fenotipos) para esa clase incluyen actividad antiinflamatoria, antioxidante, neuroprotectora, hipoglucemiante, inmunomoduladora, antimetastásica e hipotensora. Se identificaron proteínas transportadoras de sodio-glucosa y PTP1B (un regulador de señalización de la insulina) como objetivos que se vinculan con el fenotipo hipoglucémico sugerido. El estudio de caso de Ayurveda involucró formulaciones anticancerígenas. En este caso, el programa de predicción de objetivos se enriqueció para objetivos directamente relacionados con la progresión del cáncer, como la esteroide-5-alfa-reductasa , y objetivos sinérgicos como la bomba de eflujo P-gp . Estos vínculos objetivo-fenotipo pueden ayudar a identificar nuevos MOA.
Más allá de la medicina tradicional china y el Ayurveda, la quimiogenómica se puede aplicar en las primeras etapas del descubrimiento de fármacos para determinar el mecanismo de acción de un compuesto y aprovechar los biomarcadores genómicos de toxicidad y eficacia para su aplicación en ensayos clínicos de fase I y II. [7]
Los perfiles quimiogenómicos se pueden utilizar para identificar objetivos terapéuticos totalmente nuevos, por ejemplo, nuevos agentes antibacterianos. [8] El estudio aprovechó la disponibilidad de una biblioteca de ligandos existente para una enzima llamada murD que se utiliza en la vía de síntesis de peptidoglicanos. Basándose en el principio de similitud quimiogenómica, los investigadores asignaron la biblioteca de ligandos murD a otros miembros de la familia de ligasas mur (murC, murE, murF, murA y murG) para identificar nuevos objetivos para los ligandos conocidos. Se esperaría que los ligandos identificados fueran inhibidores gramnegativos de amplio espectro en ensayos experimentales, ya que la síntesis de peptidoglicano es exclusiva de las bacterias. Los estudios de acoplamiento estructural y molecular revelaron ligandos candidatos para las ligasas murC y murE.
Treinta años después de que se determinara la diftamida , un derivado de histidina modificado postraduccionalmente , se utilizó la quimiogenómica para descubrir la enzima responsable del paso final de su síntesis. [9] La diptamida es un residuo de histidina modificado postraduccionalmente que se encuentra en el factor de elongación de la traducción 2 (eEF-2). Se conocían los dos primeros pasos de la vía de biosíntesis que conduce a la diptina, pero la enzima responsable de la amidación de la diptina a diftamida seguía siendo un misterio. Los investigadores aprovecharon los datos de aptitud física de Saccharomyces cerevisiae . Los datos de cofitness son datos que representan la similitud de la aptitud de crecimiento en diversas condiciones entre dos cepas de deleción diferentes. Bajo el supuesto de que las cepas que carecen del gen de la diftamida sintetasa deberían tener una alta compatibilidad con la cepa que carece de otros genes de biosíntesis de diftamida, identificaron ylr143w como la cepa con la mayor compatibilidad con todas las demás cepas que carecen de genes conocidos de biosíntesis de diftamida. Ensayos experimentales posteriores confirmaron que YLR143W era necesario para la síntesis de diftamida y era la diftamida sintetasa faltante.