Stavební bloky degradérů s IAP v ligandech odvozených od křemíku

Přečtěte si více o

• Úvod do cílené degradace proteinů pomocí IAP In Silico-Derived Ligands
• Výhody IAP In Silico-Derived Ligands
• Objevování ligandů na bázi AVPI
• Virtuální screening (VS) knihovny AVPI-mimetik
• Reference

Úvod do cílené degradace proteinů pomocí ligandů odvozených od IAP in Silico

Cílená degradace proteinů (TPD) je nová strategie, která využívá malé molekuly k narušení endogenních systémů proteolýzy k degradaci proteinů relevantních pro onemocnění a tím ke snížení jejich množství v buňkách. Tyto malé molekuly se nazývají proteinové degradátory, které jsou heterobifunkční a obsahují dva ligandy spojené příčnou vazbou - bojovou hlavici namířenou na cílový protein a ligand pro buněčný protein E3 ubikvitin ligázu (obrázek 1A).¹

Obrázek 1. A.) Proteinové degradéry jsou bifunkční malé molekuly, které rekrutují cílový protein k E3 ubikvitin ligáze. Tato blízkost usnadňuje polyubikvitinaci cílového proteinu, což vede k jeho proteazomální degradaci. Seznam se rozrůstá, ale mezi příklady ověřených E3 ligáz používaných ve výzkumu TPD patří CRBN, VHL, IAP a MDM2. B.) Stavební bloky degraderů IAP zahrnují tři nové virtuální screeningové stopy již konjugované s různými linkery s aminoterminální chemií.

Ligázy E3 jsou branami do proteazomálního degradačního systému a charakterizace a cílení malých molekul >600 v lidském proteomu je aktivní oblastí výzkumu.^2-3  Prozatím se nejvíce používá hrstka ligáz E3. Chiméry zaměřené na proteolýzu (PROTAC^® degradéry) byly vyvinuty pro cereblon (CRBN) a von Hippel-.Lindau (VHL) E3 ligázy (obrázek 1A),^1-3 a naše původní stavební bloky pro degradery zefektivnit syntézu knihoven degraderů zprostředkovaných CRBN a VHL. Další degradéry, jako jsou specifické a negenetické inhibitory proteinu apoptózy (IAP) závislé na proteinu erasery (SNIPER), rekrutují ubikvitinové ligázy IAP.^4-5 Abychom nabídli novou chemii v této oblasti, spolupracovali jsme se společností ComInnex na vývoji stavebních bloků degenerátorů IAP, které obsahují tři nové, in silico-odvozené vedoucí sloučeniny IAP (obrázek 1B). Každá z nich je konjugována na N- nebo C-konci s dlouhými i krátkými alifatickými linkery a linkery na bázi PEG (Obrázek 2). Tato činidla společně urychlují syntézu rozkladných látek zprostředkovaných IAP v raných fázích výzkumu a hodnocení TPD. Více informací o výpočetním objevu ligandů IAP se dozvíte níže.

Obrázek 2. Ligandy cílené na IAP a stavební bloky degradérů na základě in silico screeningu mimetik AVP. Vlevo jsou zobrazeny in silico ligandy vedoucí AVP; každý z nich je na N- nebo C-konci konjugován s dlouhým i krátkým alifatickým linkerem a linkerem na bázi PEG, aby se zjednodušila syntéza degradérů, a tím i hodnocení degradace zprostředkované IAP s využitím této chemie.

Výhody IAP u ligandů odvozených od křemíku

• Prozkoumejte validovanou E3 ligázu IAP při vývoji vašeho rozkladače proteinů
• Získejte přístup k novým, in silico odvozeným vodítkům pro AVP cílené na IAP prostřednictvím virtuálního screeningu
• Zjednodušte syntézu potenciálních IAP-mediovaných proteinových degradérů pomocí AVP vodítek již konjugovaných s linkery
• Získejte předem přehled o SAR s různými výstupními vektory a linkery
• Zjednodušte paralelní syntézu s konzistentní chemií amidových terminálů mezi stavebními bloky IAP degradérů, jakož i těmi pro CRBN a VHL

IAP V SILIKOVÝCH VÝROBCÍCH Z LIGANDU

Tyto sloučeniny působí také jako malé molekuly spouštějící E3 ligázy, a mají tak potenciál pro vývoj proteinových degradérů, jak bylo prokázáno u látek SNIPER a PROTAC.⁵ Konjugované s různými malými molekulami vážícími se na cíl jsou tyto chiméry schopné degradovat různé zájmové proteiny (POI; buněčný protein vázající kyselinu retinovou (CRABP-II), estrogenový receptor-α (ERα), androgenový receptor (AR), proteinkinázu BCR-ABL, transformující se kyselou spirálovitou spirálu-3 (TACC3) a proteiny s Halo-tagem).^{5, 11}

AVPI mimetika poskytují potenciální stavební kameny pro generování a vývoj účinných knihoven PROTAC.

Virtuální screening (VS) knihovny AVPI-mimetik

Na základě struktury AVPF a MV1 byla vygenerována knihovna AVPI-mimetik (<.b>obrázek 4A) pro in silico screening a výsledná knihovna sloučenin na bázi AVP potenciálně aktivních ligandů byla vybrána podle dokovacího skóre.

Obrázek 4. A) Diverzifikace knihovny AVPI-mimetik pro virtuální screening. B) Reprezentativní dokování AVPF.

Pro virtuální screening byl použit softwarový balík Schrödinger "Small Molecule Drug Discovery Suite".¹² K zahrnutí flexibility receptoru byl použit modul Induced Fit Docking (IFD), po kterém následovaly výpočty volné vazebné energie MM-GBSA. Struktury cIAP1 BIR3 s vysokým rozlišením byly shromážděny z PDB (4kmn, 3uw4, 4hy4, 4hy5, 4mti, 4mu7) a výpočty křížového dokování byly provedeny dokováním všech ligandů do všech 3D struktur s následnými výpočty MM-GBSA ΔGbind. Struktura 4lge¹³ poskytovala nejvyšší průměrnou vazebnou volnou energii, proto byla tato struktura použita pro další výpočty. Reprezentativní struktura dokování AVPF je znázorněna na obrázku 4B. Výsledky dokování IFD jsou shrnuty v tabulce 1, přičemž potvrzují předchozí trendy aktivity a naznačují, že nové deriváty (položky 4-6) mají lepší vazebnou účinnost.

Tabulka 1. cIAP BIR3 dokovací skóre (hodnoty ΔGbind).

Vybrané molekuly mají dvě funkční skupiny: aminoskupinu v alaninu (N-konec) a karboxylovou funkci na druhém konci tetrapeptidu (C-konec), která činí sloučeniny atraktivní pro další derivatizaci. Pro rozšíření vývoje nových degradačních sloučenin potvrdily modelovací výpočty konjugaci linkeru na obou koncích (obrázek 5). Pro syntetické účely byly sloučeniny ortogonálně chráněny skupinami Boc.

Obrázek 5. Sloučeniny na bázi AVP se mění na stavební bloky degraderů konjugací linkeru na N- nebo C-konci.

Další zkoumání rozkládačů proteinů na bázi IAP

PROTAC^® je registrovaná ochranná známka společnosti Arvinas Operations, Inc., a je používána na základě licence.

Zvláštní poděkování patří společnosti ComInnex za společnou přípravu tohoto technologického reflektoru!

Obrázek 3. AVPI (Ala-Val-Pro-Ile) a antagonisté IAP AVPF a MV1.

AVPI-Based Ligand Discovery

Rodina IAP obsahuje různé proteiny s vysokou podobností⁶ (XIAP: X-vázaný IAP, cIAP1/2: buněčný IAP1/2). XIAP inhibuje iniciační (kaspázu-9) a efektorové kaspázy (kaspázy-3 a -7) prostřednictvím interakce svých domén BIR (BIR3 a BIR2) s Nkoncovým tetrapeptidem (Ala-Val-Pro-Ile, AVPI) proteinu SMAC (Second Mitochondria-derived Activator of Caspases). Podobně se AVPI dokáže vázat na doménu BIR3 cIAPs a tato interakce indukuje autodegradaci proteinu prostřednictvím ubikvitinace (Ub). Pokud jsou však mimetika AVPI spojena s hlavicemi specifickými pro proteiny, které jsou předmětem zájmu, konjugát by mohl indukovat ubikvitinaci a degradaci cílových proteinů.

Na základě struktury AVPI (Ala-Val-Pro-Ile) byl zahájen systematický výzkum zkoumající chemický prostor⁷ a vedl k objevu účinných antagonistů IAP indukujících apoptózu (AVPF, MV1). Zatímco přirozený tetrapeptid AVPI měl mírnou vazebnou aktivitu vůči XIAP-BIR3 (Kd = AVPI: 580 nM); zavedení objemných hydrofobních skupin⁸ aktivitu snadno zvýšilo (AVPF [AVPI Ile -> Phe] Kd = 290 nM). Příbuzný N-Me-AVPF-NH₂ analog navíc vykazoval zvýšenou aktivitu vůči doménám cIAP1 BIR3 (IC50 XIAP = 108,2 nM, cIAP1 = 48,2 nM; cIAP2 =  209 nM).⁹ Pokračování tohoto trendu vedlo k identifikaci vysoce účinného antagonisty pan-IAP obsahujícího difenylmethyl, MV1 (hodnoty Kd: XIAP BIR3 = 16 nM, cIAP1 BIR3: 5.10 (obrázek 3)

Odkazy

1. Neklesa TK, Winkler JD, Crews CM. 2017. Targeted protein degradation by PROTACs. Pharmacology & Therapeutics. 174138-144. https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2017.02.027

2. Bondeson DP, Crews CM. 2017. Targeted Protein Degradation by Small Molecules. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol.. 57(1):107-123. https://doi.org/10.1146/annurev-pharmtox-010715-103507

3. Ishida T, Ciulli A. 2021. E3 Ligase Ligands for PROTACs: How They Were Found and How to Discover New Ones. SLAS DISCOVERY: Advancing the Science of Drug Discovery. 26(4):484-502. https://doi.org/10.1177/2472555220965528

4. Ohoka N, Okuhira K, Ito M, Nagai K, Shibata N, Hattori T, Ujikawa O, Shimokawa K, Sano O, Koyama R, et al. 2017. In Vivo Knockdown of Pathogenic Proteins via Specific and Nongenetic Inhibitor of Apoptosis Protein (IAP)-dependent Protein Erasers (SNIPERs). Journal of Biological Chemistry. 292(11):4556-4570. https://doi.org/10.1074/jbc.m116.768853

5. Naito M, Ohoka N, Shibata N. 2019. SNIPERs?Hijacking IAP activity to induce protein degradation. Drug Discovery Today: Technologies. 3135-42. https://doi.org/10.1016/j.ddtec.2018.12.002

6. Cossu F, Milani M, Mastrangelo E, Lecis D. 2019. Targeting the BIR Domains of Inhibitor of Apoptosis (IAP) Proteins in Cancer Treatment. Computational and Structural Biotechnology Journal. 17142-150. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2019.01.009

7. Cossu F, Milani M, Mastrangelo E, Lecis D. 2019. Targeting the BIR Domains of Inhibitor of Apoptosis (IAP) Proteins in Cancer Treatment. Computational and Structural Biotechnology Journal. 17142-150. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2019.01.009

8. Sun H, Nikolovska-Coleska Z, Yang C, Qian D, Lu J, Qiu S, Bai L, Peng Y, Cai Q, Wang S. 2008. Design of Small-Molecule Peptidic and Nonpeptidic Smac Mimetics. Acc. Chem. Res.. 41(10):1264-1277. https://doi.org/10.1021/ar8000553

9. Baggio C, Gambini L, Udompholkul P, Salem AF, Aronson A, Dona A, Troadec E, Pichiorri F, Pellecchia M. 2018. Design of Potent pan-IAP and Lys-Covalent XIAP Selective Inhibitors Using a Thermodynamics Driven Approach. J. Med. Chem.. 61(14):6350-6363. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.8b00810

10. Varfolomeev E, Blankenship JW, Wayson SM, Fedorova AV, Kayagaki N, Garg P, Zobel K, Dynek JN, Elliott LO, Wallweber HJ, et al. 2007. IAP Antagonists Induce Autoubiquitination of c-IAPs, NF-?B Activation, and TNF?-Dependent Apoptosis. Cell. 131(4):669-681. https://doi.org/10.1016/j.cell.2007.10.030

11. Zhang X, He Y, Zhang P, Budamagunta V, Lv D, Thummuri D, Yang Y, Pei J, Yuan Y, Zhou D, et al. 2020. Discovery of IAP-recruiting BCL-XL PROTACs as potent degraders across multiple cancer cell lines. European Journal of Medicinal Chemistry. 199112397. https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2020.112397

12. 2018. Small-Molecule Drug Discovery Suite. [Internet]. New York: Schrödinger, LLC. Available from: https://www.schrodinger.com/drug-discovery

13. Dougan D. Crystal structure of clAP1 BIR3 bound to T3261256. https://doi.org/10.2210/pdb4lge/pdb