Особую роль среди элементов цитоскелета эукариотических клеток играют полимеры белка тубулина, микротрубочки. Микротрубочки участвуют во множестве процессов, в том числе во внутриклеточном транспорте, обеспечении подвижности клетки, а также её делении. Благодаря способности спонтанно переключаться между фазами полимеризации и деполимеризации, называемой динамической нестабильностью, микротрубочки распределяют хромосомы по дочерним клеткам. Подавление динамической нестабильности с помощью ингибиторов тубулина позволяет останавливать бесконтрольное деление злокачественных клеток. Эта стратегия — одна из основ успешной работы противоопухолевых лекарств, постоянный поиск которых является актуальной прикладной задачей.

Одним из самых известных ингибиторов тубулина является колхицин. Несмотря на эффективное подавление пролиферации злокачественных клеток за счет блокирования митоза, это вещество не нашло широкого применения в терапии опухолей по причине высокой общей токсичности. Нами предпринята попытка найти новые колхицин-подобные ингибиторы тубулина на основе следующих критериев: взаимодействие с колхициновым сайтом тубулина, подавление динамической нестабильности микротрубочек и блокирование клеточного деления. Поиск потенциальных новых лигандов осуществлен в базе данных Национального Института Рака США с помощью алгоритма кластеризации COMPARE на основе сравнения профилей противоопухолевой активности веществ по отношению к различным линиям злокачественных клеток человека с профилем противоопухолевой активности колхицина. Выбрано вещество кумарин-30, обладающее ярко выраженными флуоресцентными свойствами. Благодаря этим свойствам нами установлено связывание кумарина-30 с колхициновым сайтом тубулина с помощью метода микротермофореза. Световая микроскопия позволила установить концентрационно-зависимое подавление скорости полимеризации микротрубочек при субстехиометрических концентрациях кумарина-30 и, как следствие, задержку митоза клеток карциномы легких человека. Механизм взаимодействия кумарина-30 с колхициновым сайтом тубулина был исследован экспериментально с помощью применения структурных аналогов — кумарина-6 и -7 и молекулярного докинга. Обнаружено, что, несмотря на небольшие отличия в структуре, эффекты этих веществ на динамику микротрубочек существенно отличаются, что дает информацию о механизме связывания кумарина-30 с колхициновым сайтом тубулина. Создана модель наиболее вероятной структуры комплекса кумарина-30 и тубулина с помощью которой определены возможные пути дальнейших модификаций кумарина-30 для улучшения его противоопухолевых свойств.

Таким образом, нами найден новый колхицин-подобный ингибитор тубулина, а также экспериментально и теоретически изучен его механизм действия. Поиск ингибиторов тубулина выполнен при поддержке гранта РНФ #21-74-20035. Анисимов М.Н. является стипендиатом Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС».

Among cytoskeleton components of eukaryotic cells tubulin polymers, microtubules, play a special role. Microtubules are involved in many processes, including intracellular transport, cell motility, and cell division. Due to the ability to spontaneously switch between polymerization and depolymerization phases, called dynamic instability, microtubules distribute chromosomes between daughter cells. Suppression of dynamic instability with tubulin inhibitors makes it possible to stop the uncontrolled division of malignant cells. This strategy is one of the foundations for the successful anticancer drugs action, the constant search for which is an urgent applied problem.

One of the best known tubulin inhibitors is colchicine. Despite the effective suppression of malignant cell proliferation through mitotic arrest, this substance has not found wide application in tumor therapy due to its high overall toxicity. We attempted to find new colchicine-like tubulin inhibitors based on the following criteria: interaction with the colchicine site of tubulin, suppression of microtubule dynamic instability, and blocking of cell division. The search for potential new ligands was carried out in the US National Cancer Institute database using the COMPARE clustering algorithm based on a comparison of the antitumor activity profiles of substances in relation to various human malignant cell lines with the antitumor activity profile of colchicine. One compound, coumarin-30, which has pronounced fluorescent properties, was chosen for further study. Using its fluorescence, we determined the binding of coumarin-30 to the colchicine site of tubulin with the microscale thermophoresis method. Light microscopy allowed us to establish a concentration-dependent suppression of the microtubule polymerization rates at substoichiometric concentrations of coumarin-30 and, as a result, a delay in mitosis of human lung carcinoma cells. The mechanism of interaction of coumarin-30 with the colchicine site of tubulin was studied experimentally using structural analogues, coumarin-6 and -7, and molecular docking. It was found that, despite only minor differences in their structures, the effects of these compounds on the microtubule dynamics were significantly different. This information illuminates the mechanism of binding of coumarin-30 to the colchicine site of tubulin. A model of the most probable structure of the complex of coumarin-30 and tubulin was created. This model may be useful for possible ways of further modifications of coumarin-30 to improve its antitumor properties.

Thus, we have found a new colchicine-like inhibitor of tubulin, and examined its mechanism of action, both theoretically and experimentally. The search for tubulin inhibitors was supported by the Russian Science Foundation grant #21-74-20035. Anisimov M.N. is a scholarship holder of the Theoretical Physics and Mathematics Advancement Foundation “BASIS”.