El desarrollo de inhibidores de interacciones proteína-proteína a través REEMPLAZAR: Aplicación al Diseño y Desarrollo para no ATP inhibidores de CDK Competitiva
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
REPLACE es una estrategia única desarrollada para orientar con mayor eficacia las interacciones proteína-proteína (IBP). Su objetivo es ampliar el espacio disponible objetivo de drogas, proporcionando una mejor metodología para la identificación de inhibidores para estos sitios de unión y que representan la mayoría de los posibles objetivos farmacológicos. El objetivo principal de este trabajo es proporcionar una visión metodológica de la utilización y aplicación de la estrategia REEMPLAZAR que implica enfoques de química computacional y sintéticos. Replace es ejemplificado a través de su aplicación al desarrollo de quinasas no competitivo de ATP de ciclina (CDK) dependientes inhibidores como agentes terapéuticos anti-tumorales. CDK están desreguladas frecuencia en el cáncer y por lo tanto se consideran como objetivos importantes para el desarrollo de fármacos. La inhibición de CDK2 / ciclina A en la fase S se ha informado de promover la apoptosis selectiva de las células cancerosas de una manera independiente de p53 a través de la vía de E2F1. Focalización de la interacción proteína-proteína en la bindin ciclinag ranura (CBG) es un enfoque que permitirá a la inhibición específica de ciclo celular sobre las CDK transcripcionales. El CBG es reconocido por una secuencia de consenso derivada de CDK sustratos y proteínas supresoras de tumores denominado el motivo de unión (CBM) de ciclina. El CBM previamente ha sido optimizado para un octapéptido de p21Waf (HAKRRIF) y luego más truncado para un pentapéptido retener suficiente actividad (RRLIF). Los péptidos en general no están celular permeable, son metabólicamente inestable y por lo tanto el (reemplazo parcial con el ligando Alternativas a través Computacional Enriquecimiento) SUSTITUIR estrategia se ha aplicado con el fin de generar los inhibidores más similares a las drogas. La estrategia comienza con el diseño de péptidos inhibidores fragmento ligado (vueltas) que inhiben selectivamente ciclo celular complejos CDK / ciclina. Voltea se generaron mediante la sustitución de los residuos de forma iterativa HAKRRLIF / RRLIF con el fragmento como pequeñas moléculas (grupos de tapado), a partir de la N-terminal (NCAPs), seguidos de reemplazo enel C-terminal. Estos compuestos son puntos de partida para la generación de inhibidores de CDK no competitivos de ATP como agentes terapéuticos anti-tumorales.
Introduction
En este artículo, un estudio de caso de la aplicación de la (reemplazo por alternativas ligando parciales utilizando computacional enriquecimiento) SUSTITUIR estrategia para convertir inhibidores peptídicos de las interacciones proteína-proteína en más moléculas farmacéuticamente relevantes se describe 01.03. Mientras que los IBP son una fuente rica pero poco explotado de posibles objetivos de drogas, las metodologías existentes son claramente insuficientes para hacer estos ampliamente accesible. Las estrategias actuales incluyendo fragmento diseño basado en 4, cribado de alto rendimiento 5 y péptidos grapados 6 han proporcionadas avances, sin embargo, estos son, en muchos casos ineficaces. Como resultado, se requieren más progreso y enfoques más eficientes. REEMPLAZAR ha sido plenamente validado en el desarrollo de inhibidores de la quinasa que han mejorado las propiedades similares a las drogas y que tienen potencial de desarrollo como agentes terapéuticos antitumorales. Esta estrategia se ejemplifica en el desarrollo de inhibidores no de ATP de la célulaCDK ciclo e implica los siguientes: 1) la obtención de información estructural en 3D en las interacciones de HAKRRLIF / RRLIF con la unión de la ciclina ranura; 2) la determinación de los determinantes de unión importantes para la interacción de péptidos; 3) el truncamiento del péptido N-terminal que contiene uno o más determinantes de unión; 4) identificación computacional de potenciales de moléculas pequeñas alternativas (alternativas ligando parciales Plas) para la parte truncada del péptido y que retienen las interacciones clave del péptido parental; 5) la síntesis o el abastecimiento comercial de PLA predijeron para unirse ávidamente con el sitio sub previamente ocupado por el residuo (s) péptido borrado; 6) la síntesis de hojea la ligadura de las mejores PLA al péptido truncado mediante síntesis en fase sólida; 7) las pruebas de lanzamientos en una unión in vitro o ensayo funcional (polarización de la fluorescencia en el contexto / ciclina CDK), seguido de una caracterización adicional en un ensayo de viabilidad celular. Una representación esquemática de REEMPLAZAR strategy se muestra pt la Figura 1. En este artículo, se discuten las iteraciones de la estrategia REPLACE y la aplicación de CDK2 / ciclina A se describe en detalle. CDK se cree que están desregulado directamente o indirectamente en la mayoría de los tumores y por lo tanto se consideran objetivos farmacológicos de cáncer apropiada 7. CDK requieren asociación con ciclinas para la activación completa y posteriormente fosforilan proteínas clave que intervienen en la regulación del ciclo celular 8. Los dos grupos principales de CDK son los isotipos que controlan los puntos de control del ciclo celular [G1 / S (CDK4 / ciclina D, CDK6 / ciclina D y CDK4 / ciclina E), fase S (CDK2 / ciclina A) y G2 / M (CDK1 / ciclina B)] y los reguladores de la ARN polimerasa a través de la fosforilación (CDK7 / ciclina H, CDK8 / ciclina C, CDK9 / ciclina T). Un paso clave en la progresión de la fase S se produce cuando el factor de transcripción E2F1 forma un complejo con la proteína DP que luego se une al ADN e inicia la transcripción génica. CDK2 / ciclina A se requiere para neutralizar la transcripción E2F1actividad a través de la fosforilación lo que conduce a la liberación del complejo E2F1-DP y su posterior degradación. Se cree que la inhibición de CDK2 / ciclina A para mantener E2F1 en su estado unido de ADN conduce a la activación persistente. El nivel resultante de E2F-1 actividad superará el umbral requerido para inducir la apoptosis independiente de p53, por tanto, lo que sugiere una estrategia terapéutica. Debido a p53 desregulado y las vías de pRb, los altos niveles de E2F-1 se producen con frecuencia en las células cancerosas y la inhibición de CDK2 / ciclina A debería conducir a la apoptosis selectiva en tumores y puede ser considerado como un objetivo de cáncer validado 7.
Clínicamente inhibidores de CDK investigados se dirigen al sitio de unión ATP altamente conservado que conduce a cruzar la reactividad entre las proteínas superior a 500 quinasas en la kinome humana y potencialmente dando lugar a los efectos secundarios y la toxicidad 9. Un enfoque alternativo es-ATP no inhibición competitiva apuntando contratación sustrato a través de la CBGpresentes en la subunidad reguladora positiva ciclina y que es por lo tanto distinta y distante de ATP sitio de unión a 10,11. El CBG es principalmente un surco hidrófobo presente en la ciclina A, ciclina D y ciclina E y se ha demostrado para reconocer una secuencia de consenso que se encuentra en sustratos y supresores de tumores. Como un péptido aislado, el motivo de unión de ciclina (CBM) se une a la CBG y se ha demostrado que inhiben la actividad quinasa de las CDK del ciclo celular. El CBM ha sido optimizado para un octapéptido (HAKRRLIF, CDK2 / ciclina A IC 50 0,07 ± 0,02 mM, CDK4 / ciclina D, IC 50 0,88 ± 0,34 mM) y además truncada a un pentapéptido que representa un buen compromiso entre el peso molecular para las drogas semejanza y la potencia (RRLIF, CDK2 / ciclina A IC 50 1,01 ± 0,17 mM, CDK4 / ciclina D, IC 50 25,12 ± 2,97 M) 12,13. Los CBGS consisten en una gran primaria y secundaria más pequeño bolsillo hidrofóbico que están puenteados por un acidiregión c (incluye Glu220, Glu224 y Asp283). Los determinantes de unión clave de HAKRRLIF incluyen la interacción de Ala2 con el bolsillo hidrofóbico secundaria, el emparejamiento de iones de hidrógeno y lazos de Lys3, Arg 4 y Arg5 con la región ácida y un alto grado de complementariedad de Leu6 y Phe8 con el sitio lipófilo primaria. Además, numerosos enlaces de hidrógeno son aportados desde el esqueleto del péptido, mientras que Ile7 actúa como un residuo espaciador permitir el contacto óptimo con el bolsillo primaria. El modo de unión y las interacciones de HAKRRLIF con CBG se muestra pt la Figura 2.
Focalización de la interacción proteína-proteína CBM / CBG inhibe la actividad quinasa de CDK2 / ciclina A, CDK2 / ciclina E & CDK4 / ciclina D y esto debe dar lugar a E2F1 apoptosis mediada de las células cancerosas sin afectar a las células normales 7. Aunque CBM péptidos derivados son inhibidores eficaces de las CDK del ciclo celular, es poco probable que sean útiles como fármacos debido a su metabólicala inestabilidad y la falta general de la permeabilidad celular. Con este fin, hemos aplicado la estrategia REEMPLAZAR el fin de convertir estos inhibidores peptídicos potentes en más compuestos similares a las drogas para un mayor desarrollo de terapias antitumorales que explotan E2F1 desregulado través de CDK2 / ciclina A inhibición. El siguiente protocolo se resume el trabajo que se ha completado en la aplicación de REEMPLAZAR a la ranura de ciclina. En el primer caso, se identificaron reemplazos grupo de terminación similares a las drogas para el tetrapéptido N-terminal de HAKRRLIF. Además las mejoras en estos grupos fueron investigados en un estudio de validación adicional para REEMPLAZAR. También se presentan los resultados representativos de estos estudios.
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…
Declarações
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 | ||
Referências
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