A study published today in Nature Structural & Molecular Biology is the first time researchers have shown evidence that a single drug, already licensed for medical use, can stabilise nearly all mutated versions of a human protein, regardless of where the mutation is in the sequence.

The researchers engineered seven thousand versions of the vasopressin V2 receptor (V2R), which is critical for normal kidney function, creating all possible mutated variants in the lab. Faulty mutations in V2R prevent kidney cells from responding to the hormone vasopressin, leading to the inability to concentrate urine and resulting in excessive thirst and large volumes of dilute urine, causing nephrogenic diabetes insipidus (NDI), also known as arginine vasopressin resistance, a rare disease affecting roughly one in 25,000 people.

When they carried out further experiments looking specifically at mutations observed in patients, they found that the oral medicine tolvaptan, clinically-approved for other kidney conditions, restored receptor levels to near-normal for 87 per cent of destabilised mutations (60 out of 69 known disease-causing mutations, and 835 out of 965 predicted disease-causing mutations).

“Inside the cell, V2R travels through a tightly managed traffic system. Mutations cause a jam, so V2R never reaches the surface. Tolvaptan steadies the receptor for long enough to allow the cell’s quality control system to wave it through,” explains Dr. Taylor Mighell, first author of the study and postdoctoral researcher at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona.

The research group have previously shown that most mutations affect a protein’s function by altering its stability, making the whole structure wobblier than normal. According to the authors of the study, tolvaptan works regardless of where the mutation is because proteins switch between folded and unfolded forms. Most V2R mutations make the unfolded form more likely. When tolvaptan binds to V2R, it favours the folded form over the unfolded one.

The research is the first proof-of-principle study to demonstrate that a drug can act like a “nearly universal” pharmacological chaperone, meaning it can latch onto a protein and stabilise the structure regardless of where it’s mutated, in this case, in nearly nine out of ten cases.

The findings could help tackle a longstanding challenge in rare disease medicine. A rare disease is any disease affecting fewer than 1 in 2000 people. Though individual prevalence is low, rare diseases are a formidable challenge for global health because there are thousands of different types, meaning around 300 million people worldwide live with a rare condition. 

Most rare diseases are caused by mutations in DNA. The same gene can be mutated in many ways, so patients with “the same” rare disease can have different mutations driving the condition. Because few individuals will have the same mutation, drug development is slow and commercially unattractive. Most treatments help manage symptoms rather than tackling the root cause of a rare disease.

Previous studies show that between 40 and 60% of rare-disease causing mutations affect a protein’s stability. If future studies confirm the rescued receptors work normally, the study offers a new roadmap for rare-disease drug development. Rather than look for a drug that targets a single mutation, researchers could instead look for one that targets stabilising an entire protein.

V2R is part of the human body’s largest family of receptors, also known as G-protein-coupled receptors (GPCRs). These roughly 800 genes are the targets of about a third of all approved drugs. Many rare and common diseases arise when GPCRs don’t fold or traffic correctly to the cell surface, even though their signalling parts are largely intact.  
“If the behaviour we found holds for others members of GPCR family, drug developers could swap spending years of hunting for bespoke therapeutic molecules and try looking for general or universal pharmacological chaperones instead, greatly accelerating the drug development pipeline for many genetic diseases,” concludes ICREA Research Professor Ben Lehner, Group Leader at the Wellcome Sanger Institute (Hinxton, UK) and Centre for Genomic Regulation (Barcelona).

EN CASTELLANO

Primera evidencia de una carabina farmacológica ‘casi universal’ para enfermedades raras 

Un estudio publicado hoy en Nature Structural & Molecular Biology demuestra por primera vez que un único fármaco, ya autorizado para uso médico, puede estabilizar casi todas las versiones mutadas de una proteína humana, independientemente del lugar donde se produzca la mutación en la secuencia.

Los autores del estudio generaron siete mil versiones del receptor de vasopresina V2 (V2R), esencial para la función renal normal, creando en el laboratorio todas las variantes mutadas posibles. Las mutaciones defectuosas en V2R impiden que las células renales respondan a la hormona vasopresina, lo que provoca incapacidad para concentrar la orina y resulta en una sed excesiva y en la producción de grandes volúmenes de orina diluida, causando la diabetes insípida nefrogénica (NDI), también conocida como resistencia a la vasopresina arginina, una enfermedad rara que afecta aproximadamente a una de cada 25.000 personas.

Al realizar experimentos adicionales centrados específicamente en mutaciones observadas en pacientes, se comprobó que el fármaco oral tolvaptán, aprobado clínicamente para otras afecciones renales, restauró los niveles del receptor a valores casi normales en el 87% de las mutaciones desestabilizadas (en 60 de las 69 mutaciones conocidas causantes de enfermedad y en 835 de las 965 mutaciones pronosticadas como patogénicas).

“Dentro de la célula, el V2R viaja a través de un sistema de tráfico estrictamente regulado. Las mutaciones provocan un atasco, de modo que el receptor nunca llega a la superficie. El tolvaptán estabiliza el receptor el tiempo suficiente para que el sistema de control de calidad de la célula lo deje pasar”, explica el doctor Taylor Mighell, primer autor del estudio e investigador posdoctoral en el Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona.

El grupo de investigación ha demostrado previamente que la mayoría de las mutaciones afectan a la función de una proteína alterando su estabilidad, volviendo la estructura más inestable de lo normal. El tolvaptán funciona con independencia de dónde se localice la mutación porque las proteínas alternan entre formas plegadas y desplegadas. La mayoría de las mutaciones en V2R hacen más probable la forma desplegada. Cuando el tolvaptán se une a V2R, favorece la forma plegada frente a la desplegada.

La investigación constituye la primera prueba de concepto que demuestra que un fármaco puede actuar como una carabina farmacológica “casi universal”, lo que indica que existe una molécula que es capaz de unirse a una proteína y estabilizar su estructura con independencia del lugar donde se haya producido la mutación, en este caso, en casi nueve de cada diez situaciones.

Los hallazgos podrían contribuir a abordar un desafío histórico en el ámbito de las enfermedades raras. Se considera enfermedad rara cualquier patología que afecte a menos de una persona por cada 2.000. Aunque su prevalencia individual es baja, representan un reto formidable para la salud global, ya que existen miles de tipos distintos, lo que se traduce en unos 300 millones de personas en todo el mundo que conviven con alguna de estas afecciones.

La mayoría de las enfermedades raras están provocadas por mutaciones en el ADN. Un mismo gen puede mutar de muchas formas diferentes, de modo que los pacientes con la “misma” enfermedad rara pueden presentar mutaciones distintas como causa del trastorno. Como pocas personas comparten la misma mutación, el desarrollo de fármacos es lento y poco atractivo desde el punto de vista comercial. En consecuencia, la mayoría de los tratamientos existentes ayudan a controlar los síntomas en lugar de atacar la raíz de la enfermedad.

Estudios previos muestran que entre un 40 y un 60% de las mutaciones que causan enfermedades raras afectan a la estabilidad de las proteínas. Si las investigaciones futuras confirman que los receptores rescatados funcionan con normalidad, este estudio ofrece una nueva hoja de ruta para el desarrollo de fármacos para enfermedades raras. En lugar de buscar un medicamento que actúe contra una única mutación, se podría intentar encontrar uno que estabilice toda una proteína.

El V2R forma parte de la mayor familia de receptores del cuerpo humano, conocidos como receptores acoplados a proteínas G (GPCR, por sus siglas en inglés). Este conjunto de aproximadamente 800 genes constituye la diana de alrededor de un tercio de todos los medicamentos aprobados. Numerosas enfermedades raras y comunes surgen cuando los GPCR no se pliegan o no se transportan correctamente hasta la superficie celular, aunque sus partes de señalización permanezcan en gran medida intactas.

“Si el comportamiento que hemos observado se reproduce en otros miembros de la familia de los GPCR, los creadores de fármacos podrían ahorrarse años de búsqueda de moléculas terapéuticas a medida y centrarse en la búsqueda de carabinas farmacológicas generales o universales, acelerando enormemente el proceso de desarrollo de fármacos para muchas enfermedades genéticas”, concluye el profesor de investigación ICREA Ben Lehner, jefe de grupo en el Wellcome Sanger Institute (Hinxton, Reino Unido) y en el Centro de Regulación Genómica (Barcelona).
 

EN CATALÀ

Primera evidència d'un acompanyant farmacològic 'gairebé universal' per a malalties rares

Un estudi publicat avui a Nature Structural & Molecular Biology demostra per primera vegada que un únic fàrmac, ja autoritzat per a ús mèdic, pot estabilitzar gairebé totes les versions mutades d'una proteïna humana, independentment del lloc on es produeixi la mutació en la seqüència.

Els autors de l'estudi van generar set mil versions del receptor de vasopressina V2 (V2R), essencial per a la funció renal normal, creant al laboratori totes les variants mutades possibles. Les mutacions defectuoses a V2R impedeixen que les cèl·lules renals responguin a l'hormona vasopressina, el que provoca incapacitat per concentrar l'orina i resulta en una set excessiva i en la producció de grans volums d'orina diluïda, causant la diabetis insípida nefrogènica (NDI), també coneguda com a resistència a la vasopressina arginina, una malaltia rara que afecta aproximadament una de cada 25.000 persones.

En realitzar experiments addicionals centrats específicament en mutacions observades en pacients, es va comprovar que el fàrmac oral tolvaptan, aprovat clínicament per a altres afeccions renals, va restaurar els nivells del receptor a valors gairebé normals en el 87% de les mutacions desestabilitzades (en 60 de les 69 mutacions conegudes causants de malaltia i en 835 de les 965 mutacions pronosticades com a patogèniques).

"Dins de la cèl·lula, el V2R viatja a través d'un sistema de trànsit estrictament regulat. Les mutacions provoquen un embús, de manera que el receptor mai arriba a la superfície. El tolvaptan estabilitza el receptor el temps suficient perquè el sistema de control de qualitat de la cèl·lula el deixi passar", explica el doctor Taylor Mighell, primer autor de l'estudi i investigador postdoctoral al Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona.

El grup de recerca ha demostrat prèviament que la majoria de les mutacions afecten la funció d'una proteïna alterant la seva estabilitat, tornant l'estructura més inestable. El tolvaptan funciona amb independència d'on es localitzi la mutació perquè les proteïnes alternen entre formes plegades i desplegades. La majoria de les mutacions a V2R fan més probable la forma desplegada. Quan el tolvaptan s'uneix a V2R, afavoreix la forma plegada més que no pas la desplegada.

La investigació constitueix la primera prova de concepte que demostra que un fàrmac pot actuar com un acompanyant farmacològic "gairebé universal", cosa que indica que existeix una molècula que és capaç d'unir-se a una proteïna i estabilitzar la seva estructura amb independència del lloc on s'hagi produït la mutació, en aquest cas, en gairebé nou de cada deu situacions.

Les troballes podrien contribuir a abordar un desafiament històric en l'àmbit de les malalties rares. Es considera malaltia rara qualsevol patologia que afecti menys d'una persona per cada 2.000. Tot i que la seva prevalença individual és baixa, representen un repte formidable per a la salut global, ja que existeixen milers de tipus diferents, cosa que es tradueix en uns 300 milions de persones a tot el món que conviuen amb alguna d'aquestes afeccions.

La majoria de les malalties rares estan provocades per mutacions en l'ADN. Un mateix gen pot mutar de moltes formes diferents, de manera que els pacients amb la "mateixa" malaltia rara poden presentar mutacions diferents com a causa del trastorn. Com poques persones comparteixen la mateixa mutació, el desenvolupament de fàrmacs és lent i poc atractiu des del punt de vista comercial. En conseqüència, la majoria dels tractaments existents ajuden a controlar els símptomes en lloc d'atacar l'arrel de la malaltia.

Estudis previs mostren que entre un 40 i un 60% de les mutacions que causen malalties rares afecten l'estabilitat de les proteïnes. Si les investigacions futures confirmen que els receptors rescatats funcionen amb normalitat, aquest estudi ofereix un nou full de ruta per al desenvolupament de fàrmacs per a  malalties rares. En lloc de buscar un medicament que actuï contra una única mutació, se'n podria intentar trobar un que estabilitzi tota una proteïna.

El V2R forma part de la família de receptors més gran del cos humà, coneguts com a receptors acoblats a proteïnes G (GPCR, per les seves sigles en anglès). Aquest conjunt d'aproximadament 800 gens constitueix la diana d’aproximadament un terç de tots els medicaments aprovats. Nombroses malalties rares i comunes sorgeixen quan els GPCR no es pleguen o no es transporten correctament fins a la superfície cel·lular, encara que les seves parts de senyalització romanguin en gran mesura intactes.

"Si el comportament que hem observat es reprodueix en altres membres de la família dels GPCR, els creadors de fàrmacs podrien estalviar-se anys de recerca de molècules terapèutiques a mida i centrar-se en la recerca d’acompanyants farmacològics generals o universals, accelerant enormement el procés de desenvolupament de fàrmacs per a moltes malalties genètiques", conclou el professor d’investigació ICREA Ben Lehner, cap de grup al Wellcome Sanger Institute (Hinxton, Regne Unit) i al Centre de Regulació Genòmica (Barcelona).