Aracılığıyla DEĞİŞTİR Protein-protein etkileşimleri İnhibitörlerinin Geliştirilmesi: Tasarım ve Geliştirme Olmayan ATP Rekabetçi CDK inhibitörleri Uygulama
Summary
We describe implementation of the REPLACE strategy for targeting protein-protein interactions. REPLACE is an iterative strategy involving synthetic and computational approaches for the conversion of optimized peptidic inhibitors into drug like molecules.
Abstract
Daha etkili protein-protein etkileşimleri (PPİ) hedef alınarak geliştirilmiş benzersiz bir strateji DEĞİŞTİRİN olduğunu. Bu potansiyel ilaç hedefleri çoğunluğunu temsil eden bu tür bağlayıcı siteler için inhibitörlerinin belirlenmesi ve hangi gelişmiş metodoloji sağlayarak mevcut ilaç hedef alanını genişletmeyi hedeflemektedir. Bu çalışmanın temel amacı, hesaplamalı ve sentetik kimya yaklaşımlarını içeren REPLACE strateji kullanımı ve uygulama metodolojik bakış sağlamaktır. Olmayan ATP rekabetçi sikline bağlı kinazlar (CDK) anti-tümör terapötik olarak inhibitörlerinin geliştirilmesi için uygulanması ile tarif edilmektedir değiştirin. CDKler sıklıkla kanser deregüle ve dolayısıyla ilaç gelişimi için önemli bir hedef olarak kabul edilir. S fazında CDK2 / siklin A inhibisyonu E2F1 yolu boyunca p53, bağımsız bir şekilde, kanser hücrelerinin seçici apoptosisi teşvik ettiği rapor edilmiştir. Siklin-bağlanma protein-protein etkileşimi hedefleyeng yiv (CBG) transkripsiyonel CDK'lar fazla hücre döngüsünün spesifik önlenmesini sağlayacak bir yaklaşımdır. CBG CDK alt tabakalar ve tümör baskılayıcı proteinlerin türetilen bir uyuşum sekansı tarafından tanınan motifi (MBP) bağlanma siklin olarak adlandırılan. MBP önce ayrıca yeterli aktiviteyi (RRLIF) koruyarak bir pentapeptid kesiliyor sonra p21Waf (HAKRRIF) ve bir oktapeptidin için optimize edilmiştir. Geçirgen hücre değil, genel olarak peptitler, metabolik kararsız ve dolayısıyla strateji DEĞİŞTİR (Hesaplamalı Zenginleştirme aracılığıyla Kısmi Ligand Alternatifleri ile yedek) Daha fazla ilaç gibi inhibitörleri üretmek amacıyla uygulanmaktadır vardır. Strateji seçici hücre döngüsü CDK / siklin kompleksleri inhibe Fragment bağlandı inhibitör peptidler (çevirme) tasarımıyla başlar. Döndürür, tekrarlı N-ucuna (Ncaps) başlanarak küçük moleküller (başlık oluşturma grupları ile) gibi fragmanı ile HAKRRLIF / RRLIF kalıntılarını değiştirerek oluşturulan ilgili değiştirilmesi yoluyla elde edildiC-terminali. Bu bileşikler, anti-tümör terapötik olmayan ATP rekabetçi CDK inhibitörleri üretimi için başlangıç noktası vardır.
Introduction
Bu yazıda, daha fazla farmasötik ilgili moleküllerin içine protein-protein etkileşimleri peptidik inhibitörlerinin dönüştürmek için strateji DEĞİŞTİRİN (hesaplama zenginleştirme kullanarak kısmi ligand alternatifleri ile değiştirilmesi) uygulayarak bir vaka çalışması 1-3 tarif edilmiştir. PPİ potansiyel ilaç hedefleri zengin ama yeterince faydalanılmayan kaynağı temsil ederken, mevcut metodolojiler bu yaygın erişilebilir hale getirmek, büyük ölçüde yetersiz kalmaktadır. Fragmanı göre dizayn 4, yüksek verimli tarama 5 ve 6 ilerlemeler sağlamıştır zımbalanmış peptidler dahil olmak üzere mevcut stratejiler, ancak, bu bir çok durumda etkisizdir. Sonuç olarak, daha fazla ilerleme ve daha verimli yaklaşımlar gereklidir. Tam ilaç gibi iyileştirilmiş özelliklere ve anti-tümör terapötik maddeler olarak daha da geliştirilmesi için bir potansiyele sahip olan kinaz inhibitörlerinin geliştirilmesinde doğrulanmıştır DEĞİŞTİRME. Bu strateji, hücre dışı ATP inhibitörlerinin geliştirilmesinde örneklenmiştirdöngüsü CDK'ler ve aşağıda içerir: 1) siklin oluğu bağlayıcı HAKRRLIF / RRLIF etkileşimleri ile ilgili 3 boyutlu yapısal bilgileri elde edilmesi; 2) peptid etkileşimi için önemli bir bağlama determinantları olarak belirlenmesi; Bir veya daha fazla bağlama determinantları içeren peptit N-terminal bölgesinin 3) kesme; Peptid ve hangi kesik kısmı için potansiyel küçük molekül alternatiflerinin 4) hesaplama kimlik (kısmi ligand alternatifler PLA'lar) ana peptid önemli etkileşimleri korumak; 5) sentez veya PLA'lerin ticari kaynak önceden silinmiş peptid kalıntı (lar) tarafından işgal alt site ile heyecanla bağlamak için öngörülen; 6) katı faz sentezi kullanılarak kesilmiş peptid için en iyi PLA'lerin ligasyonu yoluyla döndürür ve sentezi; Bağlanma, bir in vitro çevirir ya da bir hücre canlılığı deneyinde daha fazla karakterizasyon ve ardından fonksiyonel deneyi (CDK / siklin bağlamında floresan polarizasyon), 7) test edilmesi. Strateg DEĞİŞTİRME şematik bir temsiliy. Şekil 1 'de gösterilmiştir, bu yazıda, DEĞİŞTİRME strateji iterasyon tartışılmış ve CDK2 / siklin A uygulama detaylı olarak tarif. CDK'lar, doğrudan veya dolaylı tümörlerinin çoğunluğunda deregüle olduğuna inanılmaktadır ve bu nedenle uygun kanser ilaç hedefleri 7 kabul edilir. CDK'lar tam aktivasyon için siklinler ile ilişki gerektiren ve daha sonra hücre döngüsü düzenlenmesinde 8 kilit rol oynayan proteinleri fosforile. CDK'ların iki ana grup, hücre döngüsü kontrol noktalarına kontrol izotipleri [G1 / S (CDK4 / Siklin D, CDK6 / siklin D ve CDK4 / siklin E), S fazı (CDK2 / siklin A) ve G2 / M (CDK1 / vardır siklin B)] ve fosforilasyon ile RNA polimerazın regülatörleri (CDK7 / siklin H, CDK8 / siklin C, CDK9 / siklin T). E2F1 transkripsiyon faktörü daha sonra DNA'ya bağlanır ve gen transkripsiyonunu başlatır DP proteini ile bir kompleks oluşturduğunda, S fazındaki ilerlemeden bir anahtar aşama, meydana gelir. CDK2 / siklin A E2F1 transkripsiyonel nötralize etmek için gerekli olanfosforilasyon yoluyla aktivite bu şekilde E2F1-DP kompleksi ve daha sonraki bozulma serbest yol açar. CDK2 / siklin A inhibisyonu DNA'sı bağlı durum, kalıcı aktivasyonuna yol içinde E2F1 muhafaza inanılmaktadır. E2F-1 aktivitesi elde edilen seviye, bir terapötik strateji öne p53 bağımsız apoptoz indüklemek için gereken eşik aşacak. Nedeniyle E2F-1 deregüle p53 ve pRb yolları, yüksek düzeyde çoğu zaman tümörler içinde seçici apoptosise yol açacaktır kanser hücreleri ve CDK2 / siklin A inhibisyonu ortaya çıkar ve geçerli bir kanser hedef 7 olarak kabul edilebilir.
Klinik olarak incelenmiştir CDK inhibitörleri, insan kinome den büyük 500 protein kinazlar arasındaki reaktivite çapraz gelen, yüksek düzeyde korunan ATP bağlama bölgeleri hedeflemek ve potansiyel etkileri ve toksisiteyi 9 yan yol açan. Alternatif bir yaklaşım CBG aracılığıyla substrat işe hedefleyerek olmayan ATP rekabetçi inhibisyonusiklin pozitif düzenleyici alt birimi mevcut ve bu nedenle farklı ve site 10,11 ATP bağlama uzak olan. CBG esas siklin A, siklin D ve siklin E içinde bulunması, bir hidrofobik oyuk olup substratlar ve tümör baskılayıcı bulunan bir konsensüs sekansı tanımak için gösterilmiştir. Izole edilmiş bir peptit olarak, siklin bağlanma motifinin (MBP) CBG bağlanır ve hücre döngüsü CDK kinaz aktivitesini inhibe ettiği gösterilmiştir. MBP İlaçla için molekül ağırlığının arasında iyi bir denge gösteren bir pentapeptid için ayrıca kesik (HAKRRLIF, CDK2 / siklin A IC 50 0,07 ± 0,02 uM, CDK4 / siklin D IC50 0,88 ± 0,34 uM) bir oktapeptit ve optimize edilmiştir benzerlik ve gücü (RRLIF, CDK2 / siklin A IC 50 1.01 ± 0.17 uM, CDK4 / siklin D, IC50 25,12 ± 2,97 uM) 12,13. CBGs bir acidi tarafından köprülü büyük bir birincil ve ikincil küçük hidrofobik cebine oluşurc bölgesi (Glu220, Glu224 ve Asp283 içerir). HAKRRLIF anahtar bağlayıcı belirleyicileri asidik bölge ve primer lipofilik site Leu6 ve Phe8 tamamlayıcılık bir yüksek derecesi ile Lys3, Arg 4 ve Arg5 ikincil hidrofobik cep, iyon eşleştirme ve hidrojen bağları ile Ala2 etkileşimini içerir. Ile7 primer cebine en uygun temas sağlayan bir ara tortu olarak hareket Buna ek olarak, çok sayıda hidrojen bağları peptit omurgasından katkıda bulunmaktadır. Bağlanma modu ve CBG ile HAKRRLIF etkileşimleri, Şekil 2 'de gösterilmiştir.
MBP / CBG, protein-protein etkileşimi hedefleyen CDK2 / siklin A, CDK2 / siklin E ve CDK4 / siklin D kinaz aktivitesini inhibe eden ve normal hücreleri 7 etkilemeyen bu E2F1 kanser hücrelerinin apoptozu tetiklemesi. MBP türetilmiş peptitler hücre döngüsü CDK etkili inhibitörleri olan, ancak, bunların nedeniyle metabolik ilaç olarak faydalı olması muhtemel değildiristikrarsızlık ve hücre geçirgenliğini genel eksikliği. Bu amaçla, CDK2 / siklin üzerinden bir inhibisyon deregüle E2F1 istismar anti-tümör tedavilerin geliştirilmesi için daha fazla ilaç benzeri bileşikler içine bu güçlü peptidik inhibitörlerinin dönüştürmek için DEĞİŞTİR strateji uyguladık. Aşağıdaki protokol siklin oluğuna REPLACE uygulamasında tamamlanmıştır çalışmalarını özetlemektedir. İlk olarak, HAKRRLIF N-terminal tetrapeptid ilaç-benzeri başlık grubu değiştirmeleri tespit edilmiştir. Bundan başka, bu grupta gelişmeler DEĞİŞTİRME için ek bir doğrulama araştırıldı. Bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar Örnek sunulmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Targeting protein-protein interactions (PPI) in drug discovery is highly challenging as these typically involve a large shallow contact interface comprised of numerous and diffuse contacts19. Furthermore, peptidic compounds which inhibit PPI’s that are amenable to drug discovery are problematic due to their higher molecular mass, metabolic instability and poor bioavailability20. Current strategies that have been applied for the development of PPI inhibitors include design of proteomimetics and…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Dr’s. Douglas Pittman and Michael Wyatt for their assistance with cell culture and Dr Wyatt and Ms. Erin Anderson for help in development of the binding assays. We acknowledge Mike Walla and Bill Cotham in the Department of Chemistry and Biochemistry at the University of South Carolina for assistance with Mass Spectrometry, Helga Cohen and Dr. Perry Pellechia for NMR spectrometry. This work was funded by the National Institutes of Health through the research project grant, 5R01CA131368.
Materials
| Computational Chemistry | |||
| Accelyrs Discovery studio 3.0 | |||
| Dell Optiplex Workstations | |||
| Synthetic Organic Chemistry | |||
| Silica gel (GF-254 plates) for TLC, Biotage (Uppsala, Sweden) for flash chromatography, Waters Alliance 2695 HPLC with a 2996 diode-array detector and equipped with a C18 (2) 100 A, 250 x 4.6mm, 5μm column (Phenomenox Luna) for purity determination, 1H NMR and 13C NMR spectra were recorded with a Varian Mercury 300 and 400 Spectrometer, respectively. Mass spectra were measured with a Micromass QTOF (Tandem quadruple-1 time of flight mass spectrometer), electrospray ionization (ESI) and VG 70S (Double-focusing magnetic sector mass spectrometer, EI). | |||
| Flourescence Polarization Assay | |||
| 384 micro well plates, , Micro pipets, | Grenier Bio-one | 110256602 | |
| CDK4D1 and CDK2CA (well purified recombinant human kinase complex) | BPS Bio Sciences | 40094(CDK4/Cyclin D), 41101(CDK2/Cyclin A) | |
| assay buffer (25 nM HEPES pH 7, 10 mM NaCl, 0.01% Nonidet P-40, 1mM dithiothretiol (DTT), | |||
| 25 nM HEPES | CALBIOCHEM | 375368 | |
| NaCl | Fisher | 127838 | |
| Nonidet P-40 | US Biological | N3500 | |
| DTT | Aldrich | ||
| -70c freezer | Revco (Ultima II) | ||
| DTX880 multimode detector fitted with 485 nm/535 nm excitation/emission filters and a dichroic mirror suitable for fluorescein | Beckman Coulter, Brea, CA | ||
| Cell Culture | |||
| 96 well plates, | Fisher | ||
| Frozen stocks of U2OS (osteosarcoma) and DU145 (prostate cancer) cell lines | ATCC | ||
| NU serum, DMEM media, trypsin, PEN/STRIP, MTT reagent, | Fisher, Life technology, Alfa Aesar | ||
| Heamocytometer | VWR | ||
| -70c freezer | Revco (Ultima II) | ||
| Incubator | Thermo electron corporation | ||
| Centrifuge | Eppendorf | 5804 R | |
| Refrigerator 4-8C | Isotemp Fisher | ||
| DTX880 multimode detector fitted with 595nm filter. | Beckman Coulter, Brea, CA | ||
References
- Andrews, M. J., et al. REPLACE: a strategy for iterative design of cyclin-binding groove inhibitors. Chembiochem. 7, 1909-1915 (2006).
- Liu, S., et al. Optimization of Non-ATP Competitive CDK/Cyclin Groove Inhibitors through REPLACE-Mediated Fragment Assembly. J Med Chem. 56, 1573-1582 (2013).
- McInnes, C., Bernstein, M., Desai, P. Chapter 29. Annual Reports in Medicinal Chemistry. 47, 459-474 (2012).
- Bower, J. F., Pannifer, A. Using fragment-based technologies to target protein-protein interactions. Curr Pharm Des. 18, 4685-4696 (2012).
- Makley, L. N., Gestwicki, J. E. Expanding the number of ‘druggable’ targets: non-enzymes and protein-protein interactions. Chemical biology, and drug design. 81, 22-32 (2013).
- Walensky, L. D., Bird, G. H. Hydrocarbon-Stapled Peptides: Principles, Practice, and Progress. J Med Chem. , (2014).
- Shapiro, G. I. Cyclin-dependent kinase pathways as targets for cancer treatment. J Clin Oncol. 24, 1770-1783 (2006).
- Thais, M., Sielecki, J. F. B., Enfield, P. A., Trainor, G. l. Cyclin dependant kinase inhibitors: Useful targets in cell cycle regulation. Journal of medicinal chemistry. 43, 1-18 (2000).
- Morphy, R. Selectively nonselective kinase inhibition: striking the right balance. J Med Chem. 53, 1413-1437 (2010).
- Chen, Y. N., et al. Selective killing of transformed cells by cyclin/cyclin-dependent kinase 2 antagonists. Proc Natl Acad Sci USA. 96, 4325-4329 (1999).
- Orzaez, M., Gortat, A., Mondragon, L., Bachs, O., Perez-Paya, E. ATP-noncompetitive inhibitors of CDK-cyclin complexes. ChemMedChem. 4, 19-24 (2009).
- Kontopidis, G., et al. Insights into cyclin groove recognition: complex crystal structures and inhibitor design through ligand exchange. Structure. 11, 1537-1546 (2003).
- McInnes, C., Andrews, M. J., Zheleva, D. I., Lane, D. P., Fischer, P. M. Peptidomimetic design of CDK inhibitors targeting the recruitment site of the cyclin subunit. Current medicinal chemistry. Anti-cancer agents. 3, 57-69 (2003).
- Premnath, P. N., et al. Fragment based discovery of arginine isosteres through REPLACE: towards non-ATP competitive CDK inhibitors. Bioorganic, and medicinal. 22, 616-622 (2014).
- Venkatachalam, C. M., Jiang, X., Oldfield, T., Waldman, M. LigandFit: a novel method for the shape-directed rapid docking of ligands to protein active sites. J Mol Graph Model. 21, 289-307 (2003).
- Mendoza, N., et al. Selective cyclin-dependent kinase 2/cyclin A antagonists that differ from ATP site inhibitors block tumor growth. Cancer Res. 63, 1020-1024 (2003).
- Denizot, F., Lang, R. Rapid colorimetric assay for cell growth and survival. Modifications to the tetrazolium dye procedure giving improved sensitivity and reliability. J Immunol Methods. 89, 271-277 (1986).
- Zheleva, D. I., et al. Highly potent p21(WAF1)-derived peptide inhibitors of CDK-mediated pRb phosphorylation: delineation and structural insight into their interactions with cyclin A. The journal of peptide research : official journal of the American Peptide Society. 60, 257-270 (2002).
- Ivanov, A. A., Khuri, K. F. R., Fu, H. Targeting protein-protein interactions as an anticancer strategy. Trends in Pharmacological Sciences. 34, (2013).
- Thayer, A. M. Improving peptides. Chemical and Engineering News. 89, 13-20 (2011).
- Yin, H., Hamilton, A. D. Strategies for targeting protein-protein interactions with synthetic agents. Angew Chem Int Ed Engl. 44, 4130-4163 (2005).
- Jubb, H., Higueruelo, A. P., Winter, A., Blundell, T. L. Structural biology and drug discovery for protein-protein interactions. Trends Pharmacol Sci. 33, 241-248 (2012).
- Cannon, J. B. Pharmaceutics and drug delivery aspects of heme and porphyrin therapy. J Pharm Sci. 82, 435-446 (1993).
