Chemical determinants of binding to ATP dependent enzymes and chemical library design

Mange krefttyper og andre sykdommer kan behandles ved inhibering av enzymer som har blitt overaktiv. Menneskelige celler er stortsett sammensatt av proteiner. Disse kjedene med hundre til tusenvis av aminosyre-"byggeklosser" bretter seg i spesifike former når de settes sammen, som åpner for deres funksjoner. Noen av disse, proteinkinaser, er enzymer som overfører fosfatgrupper fra ATP til andre proteiner. Gjennom denne funksjonen utløser de ofte kjedereaksjoner av fosfatoverføringer og andre reaksjoner, som i sum sender et signal til cellen blant annet om at den skal dele seg, dø, overleve, eller danne blodårer i området. Kreft oppstår typisk som følge av mutasjoner som endrer signaler til å fremme vekst og spredning. Presise strukturer av disse enzymene gjør det mulig å designe terapeutiske inhibitorer, men kompleksiteten i enzym-inhibitor vekselvirkninger forhindre nøyaktig design. Som et resultat, må flere potensielle inhibitorer være utformet med en "fokus" rettet mot bestemte mål-enzymer. Inhibitor design er dermed en bom-og-treff "hagle-metode", og forbedringer av treffraten krever bedre teoretiske teknikker for fokusering. Dette prosjektet hadde som mål å forbedre treffraten med nøyaktige undersøkelser av strukturer og energier av enzym-inhibitor komplekser, og å bruke resultatene for å syntetisere nye forbindelser. De undersøkte proteinkinasene inkluderte mål av leukemier, lunge- og brystkreft, sammen med andre proteinkinaser som er relevante for celledeling og programmert celledød generelt. Det første området av studien var av fleksibilitet av proteinkinaser. Enzymer er typisk stive, fordi de trenger spesielle former for å stabilisere midlertidige strukturer i høyenergi-reaksjoner og dermed øke hastigheter av kjemiske reaksjoner. Men proteinkinaser må være strengt kontrollert for å hindre falsk signallering. Dermed er proteinkinaser vanligvis deaktivert gjennom strukturelle endringer som er styrt av kjemisk modifikasjon og proteinkompleks-dannelse. Dette har to store effekter på legemiddelaktiviteter. For det første kan inhibitorer bare binde til en bestemt form for enzymet. Dette betyr at noen kjente proteinstrukturer ikke er identiske til strukturene som er det ekte målet i pasienter. For det andre kan inhibitorer selv føre til at enzymet endrer form, slik at de kjente proteinstrukturene kan forårsake falske prediksjoner av dårlig binding av faktisk gode inhibitorer. Et annet område av studien innbærer beregning av protein-inhibitor interaksjonsenergier. Proteiner er for store til å bruke de grunnleggende fysiske lovene (spesielt kvantemekanikk) til å beregne deres egenskaper. Selv små proteiner inneholder tusenvis av atomer, og disse er tett omgitt av vann og andre molekyler. Dermed må teoretiske metoder konstrueres med grove tilnærminger for å prøve å forutsi energiene av protein-inhibitor vekselvirkninger. En fremgangsmåte for å kompensere for de manglede nøyaktighet er å tilpasse teorien til til forskjellige type molekyler og analysere bare lignende molekyler. En annen tilnærming er å unngå bruk av modellteorier helt, og prøver i stedet å trekke ut fra statistiske data (ved bruk av ?maskinlæring?) de faktorene som bestemmer bindingsenergiene, og bruke resultatene for å designe nye molekyler. Resultatene av dette prosjektet ble presentert i en rekke foredrag, plakater, avhandlinger og artikler i internasjonale tidsskrifter. Studier av fleksibiliteten av "glycin-rike-slyngen" som dekker ATP i proteinkinaser viste hvordan kinaser i krystall er stivere enn kinaser i væske (Oliveira et al, J. Phys. Chem 115, 2011), og hvordan inhibitorer også kan finnes i flere konformasjoner (Pflug et al., Acta Cryst F 68, 2012). Valg av krystallstrukturer og metodikk er kritisk for den type av inhibitorer som kan bli oppdaget (Gani et al., Chem. Biol. Drug Des. 82, 2013). Mutasjoner av proteinkinaser kan ikke bare føre til kreft, de kan også endre hvilke inhibitorer binder, og forårsaker legemiddelresistens (Illert et al., Plos ONE 9, 2014), men denne egenskapen kan også utnyttes for legemiddel design (Pflug et al, Biochem J. 440 2011; Åberg et al, Biol Chem 393, 2012) Forståelse av strukturer og energier til inhibitorer og deren binding til sykdomsfremkallende enzymer (Alexeeva et al, Acta Cryst D, 2015), sammen med forutsigelse av binding til beslektede enzymer (som kan forårsake både forbedret terapi og toksisitet: Gani et al, BBA 1854 2015.; Martin et al, BBA 1854, 2015.; Rothweiler et al, Eur J Med Chem 2015), gjør det mulig å utforme ekstremt potente inhibitorer, spesielt når man tar spesielle interaksjoner i betraktning, slik som de med svovel, klor, eller spesielle kjemiske grupper (Lauber et al., Chemistry 2015). Som følge fra disse analysene, ble til slutt et sett av kjemiske byggesteiner syntetisert, for å tillate effektive startpunkter for hurtig utforming av nye inhibitorer mot nye proteinkinasemål, til bruk i oppfølgingsprosjekter.

"Structural genomics" research efforts have generally aimed to catalog a broad range of three dimensional structures of proteins. In contrast to this, efforts to understand the chemical recognition mechanisms that govern ligand-protein interactions--somet imes referred to as "chemogenomics"--require multiple detailed empirical studies of structures and flexibilities of closely related complexes. The Emil Fisher metaphor of "lock and key" to describe the enzyme - ligand complex captures the fact that the en zyme recognizes the right substance out of innumerable alternative possibility. However, the "lock and key" metaphor does not do justice to the fact that both "lock" and "key" are flexible, and "see" each other via a complex variety of chemical interactio ns, not simply by steric fit. This project aims to study these chemical interactions in detail for a selected set of key enzymes that require ATP as a substrate and that also represent targets for cancer drug design. From this understanding, libraries of potential ATP site binding ligands will be designed for drug discovery screening. Protein kinases are key signalling enzymes that are usually disregulated in cancers, and heat shock proteins are chaperones, or protein folding assistants, that also contrib ute to the uncontrolled survival of cancer cells. They share in common an ATP binding site, and therapeutic inhibitors of both classes are now emerging. This project focusses on studies of various inhibitors protein kinases A, B, and heat shock proteins H SP90 and HSP70, and variants thereof. The structures and flexibilities of the interactions will be studied by protein crystallography and calorimetric techniques. This will generate knowledge that can be systematized into algorithms for the design of new inhibitors for these and also related enzymes. Small molecules that represent potential fragments of these new inhibitors will be synthesized to create a library of substances useful for drug discovery.