Discovery and development of novel inhibitors for the kinase Pim-1 and G-Protein Coupled Receptor Smoothened

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.