La quimiogenómica , o genómica química , es la selección sistemática de bibliotecas químicas específicas de moléculas pequeñas contra familias de dianas farmacológicas individuales (p. ej., GPCR , receptores nucleares , quinasas , proteasas , etc.) con el objetivo final de identificar nuevos fármacos y dianas farmacológicas. [1] Normalmente, algunos miembros de una biblioteca de dianas han sido bien caracterizados, donde se ha determinado tanto la función como los compuestos que modulan la función de esas dianas ( ligandos en el caso de receptores , inhibidores de enzimas o bloqueadores de canales iónicos ). Otros miembros de la familia de dianas pueden tener una función desconocida sin ligandos conocidos y, por lo tanto, se clasifican como receptores huérfanos . Al identificar los resultados de selección que modulan la actividad de los miembros menos bien caracterizados de la familia de dianas, se puede dilucidar la función de estas nuevas dianas. Además, los resultados de estas dianas se pueden utilizar como punto de partida para el descubrimiento de fármacos . La finalización del proyecto del genoma humano ha proporcionado una gran cantidad de dianas 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 específica consiste en incluir ligandos conocidos de al menos uno y, preferiblemente, varios miembros de la familia específica. Dado que una parte de los ligandos que se diseñaron y sintetizaron para unirse a un miembro de la familia también se unirá a miembros adicionales de la familia, los compuestos contenidos en una biblioteca química específica deberían unirse colectivamente a un alto porcentaje de la familia específica. [3]
La quimiogenómica integra el descubrimiento de fármacos y dianas mediante el uso de compuestos activos, que funcionan como ligandos, como sondas para caracterizar las funciones del proteoma . La interacción entre un compuesto pequeño 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 pueden modificar la función de una proteína en lugar del gen. Además, la quimiogenómica puede observar la interacción, así como la reversibilidad en tiempo real. Por ejemplo, la modificación de un fenotipo puede observarse solo después de la adición de un compuesto específico y puede interrumpirse después de su retirada del medio.
Actualmente, existen dos enfoques experimentales de quimiogenómica: la quimiogenómica directa (clásica) y la quimiogenómica inversa. La quimiogenómica directa intenta identificar dianas farmacológicas mediante la búsqueda de moléculas que den un fenotipo determinado en células o animales, mientras que la quimiogenómica inversa tiene como objetivo validar fenotipos mediante la búsqueda de moléculas que interactúen específicamente con una proteína dada. [4] Ambos enfoques requieren una colección adecuada de compuestos y un sistema modelo apropiado para examinar los compuestos y buscar la identificación paralela de dianas biológicas 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 a dianas moleculares específicas y las modulan, 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 los compuestos pequeños que interactúan con esta función. La base molecular de este fenotipo deseado es desconocida. Una vez que se han identificado 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 tumoral. Una vez que se han identificado los compuestos que conducen a un fenotipo objetivo, la identificación de los genes y las proteínas diana debería ser el siguiente paso. [5] El principal desafío de la estrategia de quimiogenómica directa radica en el diseño de ensayos fenotípicos que conduzcan inmediatamente del cribado a la identificación del objetivo.
En la quimiogenómica inversa, se identifican pequeños compuestos que alteran la función de una enzima en el contexto de una prueba enzimática in vitro. Una vez identificados los moduladores, se analiza el fenotipo inducido por la molécula 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 dianas que se han aplicado en el descubrimiento de fármacos y la farmacología molecular durante la última década. Esta estrategia ahora se ve mejorada por el cribado paralelo y por la capacidad de realizar la optimización de los principales objetivos en muchos objetivos que pertenecen a una familia de objetivos.
La quimiogenómica se ha utilizado para identificar el modo de acción (MOA) para la medicina tradicional china (TCM) y Ayurveda . Los compuestos contenidos en las medicinas tradicionales suelen ser más solubles que los compuestos sintéticos, tienen "estructuras privilegiadas" (estructuras químicas que se encuentran más frecuentemente unidas en diferentes organismos vivos) y tienen factores de seguridad y tolerancia más conocidos. Por lo tanto, esto los hace especialmente atractivos como un recurso para las estructuras principales en el desarrollo de nuevas entidades moleculares. Las bases de datos que contienen estructuras químicas de compuestos utilizados en medicina alternativa junto con sus efectos fenotípicos, el análisis in silico puede ser de utilidad para ayudar a determinar el MOA, por ejemplo, al predecir los objetivos de ligando que fueron relevantes para los fenotipos conocidos para las medicinas tradicionales. [6] En un estudio de caso para TCM, se evaluó la clase terapéutica de "medicina tonificante y reponedora". Las acciones terapéuticas (o fenotipos) para esa clase incluyen antiinflamatoria, antioxidante, neuroprotectora, actividad hipoglucémica, inmunomoduladora, antimetastásica e hipotensora. Se identificaron las proteínas transportadoras de sodio y glucosa y PTP1B (un regulador de la señalización de la insulina) como dianas que se vinculan con el fenotipo hipoglucémico sugerido. El estudio de caso para Ayurveda involucró formulaciones anticancerígenas. En este caso, el programa de predicción de dianas se enriqueció con dianas directamente conectadas con la progresión del cáncer, como la esteroide-5-alfa-reductasa y dianas sinérgicas como la bomba de eflujo P-gp . Estos vínculos diana-fenotipo pueden ayudar a identificar nuevos modos de acción.
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 peptidoglicano. Basándose en el principio de similitud quimiogenómica, los investigadores mapearon 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 de amplio espectro de bacterias Gram-negativas 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 diftamida es un residuo de histidina modificado postraduccionalmente que se encuentra en el factor de elongación de la traducción 2 (eEF-2). Se conocen los dos primeros pasos de la vía de biosíntesis que conduce a la diftamida, pero la enzima responsable de la amidación de la diftamida a diftamida sigue siendo un misterio. Los investigadores aprovecharon los datos de coaptitud de Saccharomyces cerevisiae . Los datos de coaptitud son datos que representan la similitud de la aptitud de crecimiento en diversas condiciones entre dos cepas de deleción diferentes. Partiendo del supuesto de que las cepas que carecen del gen de la sintetasa de diftamida deberían tener una alta compatibilidad con las cepas que carecen de otros genes de biosíntesis de diftamida, identificaron a ylr143w como la cepa con la mayor compatibilidad con todas las demás cepas que carecen de genes conocidos de biosíntesis de diftamida. Los ensayos experimentales posteriores confirmaron que YLR143W era necesaria para la síntesis de diftamida y era la sintetasa de diftamida faltante.