Agentes Estabilizantes de Microtúbulos

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Microtubule Stabilizing Agents

Microtubule stabilizing agents (MSA) form a group of chemotherapeutic agents widely used in clinics. At cellular level they work, binding to microtubules and decreasing

their dynamics, thus impairing their functions during cell division, arresting it and inducing cell apoptosis. They do so by activating their target, the tubulin molecule. However, in spite of their great clinical success, their molecular mechanisms of action are not well understood yet. During the years 2011 and 2012 our group has been working in the unveiling of the molecular mechanisms used by these molecules to activate its target protein and how these activated molecules perturb the microtubule function and structure. The more relevant findings of the group during the period have been:

- The confirmation that MSA bind non-assembled tubulin inducing an activation conformational transition. Canales et al 2011, Field et al 2012, Prota et al 2013.

- The description of the conformational effects of MSA binding in the microtubule structure. Matesanz et al 2011.

- The structural pathway those compounds follow to reach their binding site in the lumen of microtubules. Calvo et al 2012.

- The high resolution structure of an activated complex of tubulin with an MSA. Prota et al 2013.

How do antimitotic drugs work? The search for new anti-cancer drugs and their development is a field of utmost importance in current drug research. Our group works in this problem searching new pharmacological sites in tubulin, new leads against these targets and the optimization of known compounds. We try to understand the physicochemical and cellular mechanisms employed by antimitotic compounds.

Los agentes estabilizantes de microtúbulos (MSA) son un grupo de agentes quimioterapéuticos ampliamente usado en clínica. A nivel celular, actúan uniéndose a los microtúbulos

y disminuyendo su dinámica lo que impide que puedan cumplir adecuadamente sus funciones durante la división celular, deteniendo ésta y llevando la célula a apoptosis. Para ello deben activar la molécula de tubulina que constituye su diana. Sin embargo a pesar de su gran eficacia clínica sus mecanismos de actuación a nivel molecular no eran suficientemente conocidos. Durante el bienio 2011-2012 nuestro grupo ha trabajado en el establecimiento de los mecanismos moleculares que utilizan estas moléculas para activar su proteína diana, y como estas moléculas activadas interfieren en la función de los microtúbulos in vitro. Como hallazgos del grupo más importantes durante el período cabe destacar:

- La confirmación de que los MSA son capaces de unirse a la tubulina no ensamblada induciendo un cambio conformacional que la activa. Canales et al 2011, Field et al 2012, Prota et al 2013.

- La descripción de cómo el cambio conformacional de activación de tubulina es transmitido a la estructura de los microtúbulos. Matesanz et al 2011.

- El camino estructural que estos compuestos recorren para alcanzar su sitio de unión en el interior del microtúbulo. Calvo et al. 2012.

- La obtención de la estructura a alta resolución del complejo activado de tubulina con un agente estabilizante de microtúbulos. Prota et al 2013.

Entendiendo a los antimitóticos: La búsqueda de nuevos y mejores agentes antitumorales es un campo de la mayor importancia en la investigación farmacológica. El interés de nuestro grupo se centra en este problema buscando nuevos sitios farmacológicos, nuevas cabezas de serie activas en esos sitios, desarrollando estrategias para la optimización de los compuestos conocidos y estudiando los mecanismos físico-químicos y celulares que utilizan los compuestos antimitóticos para atacar las células tumorales.

Figure 2 | Figura 2:

Structural pathway of taxanes from the microtubules surface to their binding site in the lumen. Calvo et al 2012.

Camino estructural de los taxanos desde la superficie de los microtúbulos a su sitio en el lumen. Calvo et al 2012.

Figure 1 | Figura 1:

Molecular model of the effect of different taxanes in the interprotofilament interaction in MSA stabilized microtubules. Matesanz et al 2011.

Modelos moleculares del efecto de diferentes taxanos en la interacción interprotofilamento de los microtúbulos estabilizados por éstos. Matesanz et al 2011.

José Fernando Díaz Pereira Investigador Científico | fer@cib.csic.es

PhD, 1993 Universidad Complutense de Madrid

Becario Postdoctoral, 1994-1995 Investigador Asociado, 1996-1997 Universidad Católica de Lovaina

Investigador Contratado, 1998-2001 Científico Titular, 2001-2008 Investigador Científico Jefe de Grupo, 2008 CIB, CSIC

PhD, 1976 Universidad Complutense de Madrid

Postdoctoral, 1978-1980 Rosenstiel Basic Research Center, Brandeis University, Waltham, MA, USA

Postdoctoral, 1980-1981 Center for Cancer Research, MIT, Cambridge, MA, USA

Científica Titular, 1981 CIB, CSIC

Isabel Barasoaín Blasco Científica Titular | i.barasoain@cib.csic.es

http://www.cib.csic.es/es/grupo.php?idgrupo=68

Otros miembros | Other lab members:

Ruth Matesanz RodríguezBenet Pera GreselyJavier Rodríguez SalarischGonzalo Saez CalvoChiara TrigiliMariano Redondo Horcajo

Financiación | Funding

CITMACSIC 2011CU0006 (Convenio)

BIO2010-16351 (MINECO)

BIPPEDII S2010/BMD-2457 (Comunidad de Madrid)

Publicaciones Seleccionadas Selected Publications

Trigili, C., Pera, B., Barbazanges, M., Cossy, J., Meyer, C. Pineda, O. Carles Rodríguez-Escrich,C., Urpí, F., Vilarrasa, J., Díaz, J. F. and Barasoain, I. Mechanism of Action of Cytotoxic Macrolides Amphidinolide X and J. ChemBioChem 12,1027-1030 (2011).

Canales, A., Salarichs, J. R. ,Trigili, C., Nieto, L., Coderch, C., Andreu, J. M., Paterson, I., Jimenez-Barbero, J., and Díaz, J. F. Insights into the interaction of discodermolide and docetaxel with tubulin. Mapping the binding sites of microtubule-stabilizing agents by using an integrated NMR and computational approach. ACS Chemical Biology (2011) 6; 8, 789-799 DOI:10.1021/cb200099u.

Matesanz, R., Rodríguez-Salarisch, J., Pera, B., Canales, A., Andreu, J. M., Jímenez-Barbero, J., Bras, W., Nogales, A., Fang. W. S., Díaz, J. F. Modulation of microtubule interprotofilament interactions by modified taxanes. (2011) Biophys. J. 101, 2970-2980. DOI:10.1016/j.bpj.2011.11.005.

Matesanz, R., Diaz, J. F., Corzana, F., Santana, A. G., Bastida, A, Asensio J. L. Multiple keys for a single lock: the unusual structural plasticity of the Nucleotidyltransferase (4’)/kanamycin complex Chemistry. A European Journal (2012) 18, 2875-2889. DOI: 10.1002/chem. 201101888.

Calvo, E., Barasoain, I., Matesanz, R., Pera, B., Camafeita, E., Pineda, O., Hamel, E., Vanderwal, C. D. José Manuel Andreu, Juan A. López and José Fernando Díaz. Cyclostreptin Derivatives Specifically Target Cellular Tubulin and Further Map the Paclitaxel Site. Biochemistry (2012) 51, 329-341. DOI:10.1021/bi201380p.

Bennani, Y. L. Gu, W., Canales, A., Díaz, J. F., Eustace, B. K. Hoover, R. R., Jiménez-Barbero, J., Nezami, A. and Wang, T. Tubulin Binding, Protein-Bound Conformation in Solution, and Antimitotic Cellular Profiling of Noscapine and Its Derivatives. J. Med. Chem. (2012), 55, 1920-1925. DOI:10.1021/jm200848t.

Field, J .J., Pera, B.*, Calvo, E*, Canales, A., Zurwerra, D., Trigili, C, Rodríguez-Salarichs, J., Matesanz, R., Kanakkanthara, A., Wakefield, S., Singh, A. J., Jiménez-Barbero, J., Northcote, P., Miller, J. H., López, J. A., Hamel, E., Barasoain, I., Altmann, K. H. and Díaz, J.F. (2012) Zampanolide, a potent new microtubule stabilizing agent, covalently reacts with the taxane luminal site in both tubulin β-heterodimers and microtubules. Chemistry and Biology. 19, 686–698. DOI 10.1016/j.chembiol.2012.05.008

Prota, A. E., Bargsten, K., Zurwerra, D., Field, J. J., Díaz, J. F. Altmann, K. H. and Steinmetz, M. O. Molecular Mechanism of Action of Microtubule-Stabilizing Anticancer Agents. Science 39, 587-590 (2013) DOI:10.1126/science.1230582.

Maccari, G., Mori, M. Rodríguez-Salarichs, J., Fang, W. S., Díaz, J. F. and Botta, M. Free Energy Profile and Kinetics. Studies of Paclitaxel Internalization from the Outer to the Inner Wall of Microtubules (2013) J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 698−706 DOI: dx.doi.org/10.1021/ct3006612.

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