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Titel:Discovery and development of novel inhibitors for the kinase Pim-1 and G-Protein Coupled Receptor Smoothened
Autor:Taylor, Corey
Weitere Beteiligte: Kolb, Peter (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2019
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0241
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0241
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-02415
DDC: Pharmakologie, Therapeutik
Publikationsdatum:2021-02-15
Lizenz:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
pharmacy, Drug design, chemistry, Pharmazie, Arzneimitteldesign, Chemie

Summary:
Investigation of the cause of disease is no easy business. This is particularly so when one reflects upon the lessons taught us in antiquity. Prior to the beginning of the last century, diagnosis and treatment of diseases such as cancers was so bereft of hope that there was little physicians could offer in the way of comfort, let alone treatment. One of the major insights from investigations into cancers this century has been that those involved in research leading to treatments are not dealing with a singular malady but multiple families of diseases with different mechanisms and modes of action. Therefore, despite the end game being similar in cancers, that of uncontrolled growth and replication leading to cellular dysfunction, different diseases require different approaches in targeting them. This leads us to a particular broad treatment approach, that of drug design. A drug is, in the classical sense, a small molecule that, upon introduction into the body, interacts with biochemical targets to induce a wider biological effect, ideally with both an intended target and intended effect. The conceptual basis underpinning this `lock-and-key' paradigm was elucidated over a century ago and the primary occupation of those involved in biochemical research has been to determine as much information as possible about both of these protein locks and drug keys. And, as inferred from the paradigm, molecular shape is all-important in determining and controlling action against the most important locks with the most potent and specific keys. The two most important target classes in drug discovery for some time have been protein kinases and G Protein-Coupled Receptors (GPCRs). Both classes of proteins are large families that perform very different tasks within the body. Kinases activate and inactive many cellular processes by catalysing the transfer of a phosphate group from Adenosine Tri-Phosphate (ATP) to other targets. GPCRs perform the job of interacting with chemical signals and communicating them into a biological response. Dysfunction in both types of proteins in certain cells can lead to a loss of biological control and, ultimately, a cancer. Both of kinases and GPCRs have entirely different chemical structures so structural knowledge therefore becomes crucial in any approach targeting cells where dysfunction has occurred. Thus, for this thesis, a member from each class was investigated using a combination of structural approaches. From the kinase class, the kinase Proviral Integration site for MuLV (Pim-1) and from the GPCR class, the cell membrane-bound Smoothened receptor (SMO). The kinase \pimone\ was the target of various approaches in \autoref{chap:three}. Although a heavily studied target from the mid-2000's, there is a paucity of inhibitors targeting residues more remote from structural characteristics that define kinases. Further limiting extension possibilities is that \pimone\ is constitutively active so no inhibitors targeting an inactive state are possible. An initial project (\pone) used the known binding properties of small molecules, or, `fragments' to elucidate structural and dynamic information useful for targeting \pimone. This was followed by three projects, all with the goal of inhibitor discovery, all with different foci. In \ptwo, fragment binding modes from \pone\ provided the basis for the extension and development of drug-like inhibitors with a focus on synthetic feasibility. In contrast, inhibitors were found in \pthree\ via a large-scale public dataset of purchasable molecules that possess drug-like properties. Finally, \pfour\ took the truncated form of a particularly attractive fragment from \pone\ that was crystallised with \pimone, verified its binding mode and then generated extensions with, again, a focus on synthetic feasibility. The GPCR \smo\ has fewer molecular studies and much about its structural behaviour remains unknown. As the most `druggable' protein in the Hedgehog pathway, structural studies have primarily focussed on stabilising its inactive state to prevent signal transduction. Allied to this is that there are generally few inhibitors for \smo\ and the drugs for cancers related to its dysfunction are vulnerable to mutations that significantly reduce their effectiveness or abrogate it entirely. The elucidation of structural information in therefore of high priority. An initial study attempting to identify an unknown molecule from prior experiments led to insights regarding binding characteristics of specific moieties. This was particularly important to understand not just where favourable moieties bind but also sections of the \smo\ binding pocket with unfavourable binding. In both subsequent virtual screens performed in Chapter 4, the primary aim was to find new drug-like inhibitors of \smo\ using large public datasets of commercially-available molecules. The initial screen retrieved relatively few inhibitors so the binding pocket was modified to find a structural state more amenable to small molecule binding. These modifications led to a significant number of new, chemically novel inhibitors for \smo, some structural information useful for future inhibitors and the elucidation of structure-activity relationships useful for inhibitor design. This underpins the idea that structural information is of critical importance in the discovery and design of molecular inhibitors.

Zusammenfassung:
Die Untersuchung der Ursache einer Krankheit ist keine leichte Aufgabe. Dies gilt insbesondere, wenn man über die Lehren nachdenkt, die wir aus der Antike gelernt haben. Vor Beginn des letzten Jahrhunderts war die Diagnose und Behandlung von Krankheiten wie Krebserkrankungen so hoffnungslos, dass Ärzte kaum Trost, geschweige denn eine Behandlung anbieten konnten. Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus der Erforschung von Krebserkrankungen in diesem Jahrhundert ist, dass es sich dabei nicht um eine einzelne Krankheit, sondern um mehrere Familien von Krankheiten mit unterschiedlichen Mechanismen und Wirkungsweisen handelt. Trotz der Tatsache, dass der finale Verlauf von Krebserkrankungen ähnlich ist, d.h. unkontrolliertes Wachstum und Replikation, die zu zellulärer Dysfunktion führen, erfordern die verschiedenen Krankheiten daher unterschiedliche Ansätze in der Behandlung. Dies führt uns zu einem besonders breiten Behandlungsansatz, dem des Wirkstoffdesigns. Die beiden wichtigsten Zielklassen in der Wirkstoffforschung sind seit längerem Proteinkinasen und G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs). Beide Kategorien von Proteinen umfassen große Familien, die sehr unterschiedliche Aufgaben im Körper erfüllen. Dysfunktionen beider Arten von Proteinen in bestimmten Zellen können zu einem Verlust der biologischen Kontrolle und letztlich zu Krebs führen. Sowohl Kinasen als auch GPCRs besitzen völlig unterschiedliche chemische Strukturen, sodass bei der Adressierung dysfunktionaler Zellen strukturelles Wissen von entscheidender Bedeutung ist. Daher wurde in dieser Arbeit je ein Mitglied aus beiden Klassen mit einer Kombination verschiedener strukturbasierter Ansätze untersucht. Aus der Familie der Kinasen die Kinase Proviral Integration Site for MuLV (Pim-1) und aus der Familie der GPCRs der zellmembrangebundene Smoothened Rezeptor (SMO). Die Kinase Pim-1 war das Ziel verschiedener Ansätze in Kapitel 3. Obwohl es sich um ein stark untersuchtes Target aus der Mitte der 2000er Jahre handelt, gibt es nur wenige Inhibitoren, die Aminosäuren adressieren, welche weiter von strukturellen Merkmalen entfernt sind, welche Kinasen ausmachen. Weitere Einschränkungen sind dadurch gegeben, dass Pim-1 konstitutiv aktiv ist, sodass bei der Entwicklung von Inhibitoren nicht auf eine inaktive Proteinkonformation abgezielt werden kann. Ein erstes Projekt (Projekt 1) nutzte bekannte Bindungseigenschaften kleiner Moleküle, um strukturelle und dynamische Informationen zu gewinnen, die bei der Adressierung von Pim-1 nützlich sind. Es folgten drei Projekte mit dem Ziel, Inhibitoren unter Berücksichtigung unterschiedlicher Gesichtspunkte zu entwickeln. In Projekt 2 bildeten Fragmentbindungsmodi aus Projekt 1 die Grundlage für die Erweiterung und Entwicklung von medikamentähnlichen Inhibitoren mit einem Schwerpunkt auf synthetischer Darstellbarkeit. In Projekt 3 wurden Inhibitoren aus einem großen, öffentlich zugänglichen Datensatz von kaufbaren Molekülen mit medikamentenähnlichen Eigenschaften herausgesucht. Schließlich wurde in Projekt 4 die verkürzte Form eines besonders attraktiven Fragments, das mit Pim-1 kristallisiert wurde, aus Projekt 1 aufgenommen der Bindungsmodus verifiziert und dann Erweiterungen generiert, wiederum mit dem Fokus auf der synthetischen Darstellbarkeit. Über den GPCR SMO gibt es weniger molekulare Studien und vieles über sein strukturelles Verhalten ist weiterhin unbekannt. Als das am besten adressierbare Protein im Hedgehog Signalweg haben sich bisherige strukturbasierte Studien in erster Linie darauf konzentriert, den inaktiven Zustand zu stabilisieren, um so eine Signaltransduktion zu verhindern. Daher gibt es generell nur wenige Inhibitoren für SMO und die Medikamente für Krebserkrankungen im Zusammenhang mit der Dysfunktion von SMO sind anfällig für Mutationen, was ihre Wirksamkeit signifikant verringern oder ganz aufheben kann. Eine erste Studie, in der versucht wurde, ein unbekanntes Molekül aus früheren Experimenten zu identifizieren, resultierte in Erkenntnissen über die Bindungseigenschaften bestimmter Struktureinheiten. Dies war besonders wichtig, um nicht nur Bereiche günstiger Interaktionen, sondern auch Bereiche ungünstiger Interaktionen in der SMO-Bindungstasche zu verstehen. In den beiden nachfolgenden virtuellen Screens, die in Kapitel 4 beschreiben werden, bestand das Hauptziel darin, in großen, öffentlich zugänglichen Datensätzen kommerziell verfügbarer Moleküle neue medikamentenähnliche Inhibitoren für SMO zu finden. Der erste Screen sowie die nachfolgenden Modifikationen resultierten in einer signifikanten Anzahl chemisch neuartiger Inhibitoren für SMO, sowie strukturellen, für die Entwicklung zukünftiger Inhibitoren nützlichen Erkenntnissen und der für das Inhibitor-Design nützlichen Aufklärung von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen. Dies untermauert die Idee, dass Strukturinformationen für die Entdeckung und das Design molekularer Inhibitoren von entscheidender Bedeutung sind.


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