Ændring og Funktionalisering af guanidingruppen ved Skræddersyede Forstadier
Summary
En protokol til syntese af alkyl-modificerede guanidiner baseret på anvendelsen af de tilsvarende forstadier præsenteres.
Abstract
Guanidingruppen er en af de vigtigste farmakofore grupper i medicinsk kemi. Den eneste aminosyre, der bærer en guanidingruppe er arginin. I denne artikel tilvejebringes en nem metode til modificering af guanidingruppen i peptidiske ligander, med et eksempel på RGD-bindende integrin ligander. Det blev for nylig vist, at den særskilte modifikation af guanidingruppen i disse ligander muliggør selektiv modulering af subtype (for eksempel mellem undertyperne av og α5). Desuden blev en tidligere ukendt strategi for funktionaliseringen via guanidingruppen påvist, og det syntetiske tilgang revideret i dette dokument. De her beskrevne modifikationer inddrage terminalt (N ω) alkylerede og acetylerede guanidingrupperne. Til syntesen, er skræddersyede precursormolekyler syntetiseret, som derefter underkastes en reaktion med en ortogonalt afbeskyttet amin at overføre præ-modificeret guanidingruppe. Til syntese af alkylerede guanidiner, forstadier baseret på N, N'-di-Boc-1H-pyrazol-1-carboxamidin anvendes til at syntetisere acylerede forbindelser, precursoren for valg bliver en tilsvarende acyleret derivat af N-Boc-S – methylisothiourinstof, der kan opnås i en- og to-trins-reaktioner.
Introduction
Blandt de mest udbredte farmakofore grupper i naturlige ligander er guanidingruppen, som er involveret i flere interaktioner 1, 2. For eksempel tjener den som en potentiel firedobbelt hydrogendonor i hydrogenbinding interaktioner og er involveret i elektrostatiske vekselvirkninger, såsom saltbroer eller kation-π-interaktioner. I medicinsk kemi, er denne gruppe ofte findes i lægemidler og lægemiddelkandidater 4, selv om meget ofte som guanidin mimetiske 5, 6. Årsagen til udviklingen af guanidinderivater mimetika er fjernelse af den allestedsnærværende, positivt ladet guanidingruppe, såvel som reguleringen af lipofiliciteten af liganden. I peptidiske ligander, den eneste guanidin-indeholdende aminosyre er arginin, som derfor ofte findes i det bioaktive region peptidiske ligander.
En meget PRominent eksempel for en arginin-holdig ligand familien er underfamilien af RGD-bindende integriner. Generelt integriner er en klasse af celleadhæsionsreceptorer, som overtager vigtige funktioner i alle højere organismer. Nogle af disse funktioner involverer celleadhæsion, migrering, og celle overlevelse. De er således også involveret i patologiske indikationer, såsom cancer og fibrose. Integriner er transmembran heterodimere proteiner bestående af en α- og en β-underenhed, som danner 24 tiden kendte integrin undertyper; 8 af dem genkende tripeptidsekvensen Arg-Gly-Asp (= RGD) i deres ligander 7. Bindingsregionen er placeret ved grænsefladen mellem disse to undertyper i den ekstracellulære del, den såkaldte integrin hovedgruppe 8. RGD genkendes af to fælles interaktioner: metallet-ion-afhængig adhæsion site (MIDAS) region, som er beliggende i beta-underenheden, og som binder carboxylsyren i liganderne (side chai af Asp); og guanidingruppen i liganderne, som er beliggende i alfa-subunit'en. De fleste af de integrin undertyper er promiskuøse og del i det mindste en del af deres naturlige ekstracellulære matrix (ECM) ligander 9. Således for udviklingen af kunstige integrin ligander, den store fokus er, foruden en høj bindingsaffinitet, subtype selektivitet. For nylig kunne vi afsløre et nøgleelement til generering af subtypeselektive ligander: guanidingruppen. Gennem distinkte modifikationer, biselective ligander for αv- og α5-holdige integrin undertyper kan vendes til selektive forbindelser ved simple modifikationer på guanidingruppen, som derefter kan skelne de forskellige α-underenheder 10.
I lommen på av, guanidingruppen interagerer side-på via en bidentat saltbro med Asp218 11, 12. Denne interaktion cen også observeres i α5β1 (her med Asp227 i α5), men derudover er en ende-mod interaktion guanidingruppen med en Gin rest (Gln221) observerede der 13. Således har vi modificeret guanidingruppen i to modsatte måder: i det ene tilfælde, ved at blokere side-om interaktion med methylering af den N δ af guanidingruppen, og i det andet tilfælde, med methylering af guanidin N ω, blokerer udgangen på interaktion. Overraskende denne lille modifikation førte til en fuldstændig selektivitet skift i liganderne. Ud over den alkylering blev en ny funktionalisering metode introduceret i denne publikation. Den klassiske funktionalisering metode for denne type pentapeptidic ligand er gennem sidekæden konjugering af en aminosyre ikke er involveret i binding (fx K ic (RGDfK)) 14, 15. Her,viser vi, at funktionalisering er også mulig ved at modificere guanidin – som er afgørende for binding – med en acyl- eller alkyleret linker. Den positive ladning, der er væsentligt for binding bevares, og modeller tyder på, at langkædede point ud af bindingslommen og tilvejebringer således en ideel mulighed for fastgørelse af yderligere linkere og mærkning enheder (for eksempel et fluorescerende mærke eller en chelator til molekylær billeddannelse).
I dette arbejde, vi koncentrere os om de præparative trin til modifikation af guanidingruppen i arginin-holdige ligander. Dette involverer syntesen af N ω -methylated arter, samt guanidiner med længere linker-enheder. De forskellige modifikationer omfatter acyl- og alkylgrupper.
Protocol
Representative Results
Discussion
Forstadiet for guanidinylation er et ortogonalt afbeskyttes cyklisk peptidderivat, (c (OrnD (OtBu) Gf (N Me) V)), som er syntetiseret ved en standard Fmoc protokol af fastfase-peptidsyntese (SPPS). Ornithin blev anvendt som ortogonalt beskyttede derivat, (Fmoc-Orn (Dde) -OH), som kan afbeskyttes med hydrazin i DMF efter cykliseringen af peptidet stilladset. Peptidet forstadium renses ved udfældning af forbindelsen og ved den efterfølgende lyofilisering.
Alk…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
TGK anerkender Den Internationale Forskerskolen for Science and Engineering (IGGSE) af Technische Universität München for deres økonomiske støtte. HK anerkender Center for Integreret Protein Science München (CIPSM) for deres støtte.
Materials
| N,N′-Di-Boc-1H-pyrazole-1-carboxamidine, 98% | Sigma Aldrich | 434167 ALDRICH | |
| Triphenylphosphine, 99% | Sigma Aldrich | T84409 SIGMA-ALDRICH | |
| Tetrahydrofuran, >99.5% | Carl Roth | 4745 | |
| Tetrahydrofuran anhydrous, 99.8% | Carl Roth | 5182 | |
| Methanol anhydrous, 99.8% | Sigma Aldrich | 322415 SIGMA-ALDRICH | |
| Diisopropyl azodicarboxylate, 98% | Sigma Aldrich | 225541 ALDRICH | |
| Dichlormethan, for synthesis, 99.5% | Carl Roth | 8424 | |
| Silica gel for flash chromtaography | Sigma Aldrich | 60738 SIGMA-ALDRICH | |
| n-Pentane, 99% | Carl Roth | 8720 | |
| n-Hexane, 99% | Carl Roth | CP47 | |
| Ethylacetate, 99.5% | Carl Roth | 7338 | |
| Aminohexanol, 95% | Sigma Aldrich | A56353 ALDRICH | |
| S-Methylisothiourea hemisulfate, 98% | Sigma Aldrich | M84445 ALDRICH | |
| Di-tert-butyl dicarbonate, 99% | Sigma Aldrich | 205249 ALDRICH | |
| N,N-Dimethylformamid, 99.8% | Carl Roth | A529 | |
| N,N-Diisopropylethylamin, 99.5% | Carl Roth | 2474 | |
| Acetic anhydrid, 99% | Carl Roth | 4483 | |
| Chlortrityl resin | Carbolution | CC11006 | |
| Fmoc-Gly-OH, 98% | Carbolution | CC05014 | |
| Piperidin, 99% | Sigma Aldrich | 104094 SIGMA-ALDRICH | |
| Fmoc-Orn(Dde)-OH | Iris-Biotech | FAA1502 | |
| HATU, 99% | Carbolution | CC01011 | |
| HOAt, 99% | Carbolution | CC01004 | |
| Fmoc-Val-OH | Carbolution | CC05028 | |
| 2-Nitrobenzenesulfonyl chloride, 97% | Sigma Aldrich | N11507 ALDRICH | |
| 2,4,6-Collidine, 99% | Sigma Aldrich | 27690 SIGMA-ALDRICH | |
| Mercaptoethanol, 99% | Sigma Aldrich | M6250 ALDRICH | |
| Diazabicycloundecen, 98% | Sigma Aldrich | 139009 ALDRICH | |
| Fmoc-D-Phe-OH, 98% | Sigma Aldrich | 47378 ALDRICH | |
| Fmoc-Asp(OtBu)-OH, 98% | Carbolution | CC05008 | |
| Hexafluoroisopropanol | Carbolution | CC03056 | |
| Diphenylphosphoryl azide, 97% | Sigma Aldrich | 178756 ALDRICH | |
| TFA, 99.9% | Carl Roth | P088 | |
| Triisopropylsilan, 98% | Sigma Aldrich | 233781 ALDRICH | |
| Acetonitrile, HPLC grade | Carl Roth | HN44 |
References
- Saczewski, F., Balewski, L. Biological activities of guanidine compounds. Exp. Opin. Ther. Patents. 19 (10), 1417-1448 (2009).
- Saczewski, F., Balewski, L. Biological activities of guanidine compounds, 2008-2012 update. Exp. Opin. Ther. Patents. 23 (8), 965-995 (2013).
- Wirth, T. H., Davidson, N. Mercury (II) Comlexes of Guanidine and Ammonia, and a general discussion of the Complexing of Mercury (II) by Nitrogen Bases. J. Am. Chem. Soc. 86 (20), 4325-4329 (1964).
- Berlinck, R. G., Burtoloso, A. C., Kossuga, M. H. The chemistry and biology of organic guanidine derivatives. Nat. Prod. Rep. 25, 919-954 (2008).
- Peterlin-Mašič, L., Kikelj, D. Arginine mimetics. Tetrahedron. 57 (33), 7073-7105 (2001).
- Peterlin-Mašič, L. Arginine mimetic structures in biologically active antagonists and inhibitors. Curr. Med. Chem. 13 (30), 3627-3648 (2006).
- Hynes, R. O. Integrins: bidirectional, allosteric signaling machines. Cell. 110 (6), 673-687 (2002).
- Liddington, R. C. Structural aspects of integrins. Adv. Exp. Med. Biol. 819, 111-126 (2014).
- Plow, E. F., Haas, T. A., Zhang, L., Loftusi, J., Smith, J. W. Ligand binding to integrins. J. Biol. Chem. 275 (29), 21785-21788 (2000).
- Kapp, T. G., Fottner, M., Maltsev, O. V., Kessler, H. Small cause, great impact – modification of guanidine group in RGD controls subtype selectivity. Angew. Chem. Int. Ed. 55, 1540-1543 (2016).
- Xiong, J. P., et al. Crystal structure of the extracellular segment of integrin alpha Vbeta3. Science. 294, 339-345 (2001).
- Xiong, J. P., et al. Crystal structure of the extracellular segment of integrin alpha Vbeta3 in complex with an Arg-Gly-Asp ligand. Science. 296 (5565), 151-155 (2002).
- Nagae, M., et al. Crystal structure of α5β1 integrin ectodomain: atomic details of the fibronectin receptor. J. Cell Biol. 197 (1), 131-140 (2012).
- Hersel, U., Dahmen, C., Kessler, H. RGD modified polymers: biomaterials for stimulated cell adhesion and beyond. Biomaterials. 24 (24), 4385-4415 (2003).
- Auernheimer, J., Dahmen, C., Hersel, U., Bausch, A., Kessler, H. Photoswitched Cell Adhesion on Surfaces with RGD Peptides. J. Am. Chem. Soc. 127 (46), 16107-16110 (2005).
- Corradini, D., Eksteen, E., Eksteen, R., Schoenmakers, P., Miller, N. . Handbook of HPLC. , (2011).
- de Hoffmann, E., Stroobant, V. . Mass Spectrometry: Principles and Applications. , (2007).
- Frank, A. O., et al. Conformational Control of Integrin-Subtype Selectivity in isoDGR Peptide Motifs: A Biological Switch. Angew. Chem. Int. Ed. 49 (48), 9278-9281 (2010).
- Rossiter, S., et al. Selective substrate-based inhibitors of mammalian dimethylarginine dimethylaminohydrolase. J. Med. Chem. 48 (14), 4670-4678 (2005).
- Weiss, S., Keller, M., Bernhardt, G., Buschauer, A., König, B. N(G)-Acyl-argininamides as NPY Y(1) receptor antagonists: Influence of structurally diverse acyl substituents on stability and affinity. Bioorg. Med. Chem. 18 (17), 6292-6304 (2010).
- Hammerschmidt, F., Kvaternik, H., Schweifer, A., Mereiter, K., Aigner, R. M. Improved Synthesis of No-Carrier-Added [*I]MIBG and Its Precursor. Synthesis. 44 (21), 3387-3391 (2012).
