2018年以bcl2蛋白家族為靶點的抗腫瘤藥物設計.ppt

Outline,Background Hallmarks of Cancer The Bcl-2 Protein Family Model of BH3 mimetic-induced apoptosis Structure basis for designing ligands Small molecule inhibitors Peptidomimetic approach mimic the a-helix of the BH3 peptides ABT-737, ABT-263 and their analogs pan-active inhibitor of Bcl-2 Selective Bcl-2 inhibitors selective BCL-xL inhibitor Selective Mcl-1 inhibitors,1,Cell,144(5): 646-674,Hallmarks of Cancer,2,Extrinsic and intrinsic pathways of apoptosis,Expert Opin. Ther. Patents (2012) ,22(1):37-55,3,The Bcl-2 Protein Family,The Bcl-2 Family Proteins with anti- or pro-apoptotic function Characteristics: (Often) a C-terminal transmembrane domain. Bcl-2 homology (BH) domains. Bcl-2 proteins form homo- and heterodimers via their BH-domains,BH1, BH2: Predicted to form ion channels BH3: The ”suicide domain” regulates cell death BH4: Thought to confer anti-apoptotic activity.,(Chan & Yu. (2004). Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 31: 119). Chipuk, J. E，Molecular Cell ，2010，37(3): 299-310,4,Elevated of Bcl-2 or Bcl-xL expression,Seminars in Oncology, 2004,30(Supplement 16): 133-142.,5,Model of BH3 mimetic-induced apoptosis,一、直接模型： 抑制劑代替促凋亡蛋白BAK/BAX，與抗凋亡蛋白Bcl-2/Bcl-xl結(jié)合，從而抑制后者，促進細胞凋亡 二、間接模型 抑制劑替代特定的激活因子BH3-only蛋白，與抗調(diào)亡蛋白如BCL-2/BCL-xL結(jié)合，游離出來的BH3-only蛋白，激活BAK/BAX。,Nature Reviews Drug Discovery 2008，7(12): 989-1000 Clinical Cancer Research 2009，15(4): 1126-1132. Oncogene ，2009，27(S1): S149-S157.,6,Structure basis for designing ligands,7,The molecular basis for heterodimer formation,Heterodimerization between members of the Bcl-2 family of proteins is a key event in the regulation of apoptosis pro-apoptotic protein(Bak) adopts an amphipathic a- helix(BH3 domain) that interacts with anti-apoptotic proteins(Bcl-xl) through hydrophobic and electrostatic interactions in the hydrophobic cleft.,8,抗凋亡蛋白(BCL-2)是通過其表面疏水凹槽與促凋亡類(BIM)的 BH3區(qū)域結(jié)合發(fā)生相互作用，調(diào)節(jié)細胞正常的生理凋亡。,BCL-2 family antagonists for cancer therapy. Nature Reviews Drug Discovery 2008，7(12): 989-1000,Overlay of BCL-XLABT-737 complex with BCL-xlLBIM BH3 complex,Bcl-2 and BIM BH3,9,Bcl-xL and Bak-BH3,Surface representation of the binding pocket of Bcl-xL bound to the Bak peptide,10,. “Structure of Bcl-xL-Bak Peptide Complex: Recognition Between Regulators of Apoptosis.“ Science 1997，275(5302): 983-986.,Bcl-xL-Bim BH3,Mcl-1Bim BH3,Bcl-xL/Bad,Protein Science ,2000, 9:25282534,11,5個疏水中心 (P1, P2, P3, P4和P5) 4個氫鍵供體 (D1, D2, D3和 D4) 2個氫鍵受體 (A1 and A2),Bcl-2活性部位分布圖,在受體D1、D2、D3、A1位點出現(xiàn)比較頻繁，與受體形成靜電作用能提高親和力與特異性 D4，A2位點出現(xiàn)頻率較小，能量貢獻不大,BMC，2007， 15(19): 6407-6417,Small molecule inhibitors,Peptidomimetic approach mimic the a-helix of the BH3 peptides ABT-737, ABT-263 and their analogs pan-active inhibitor of Bcl-2 Selective Bcl-2 inhibitors selective BCL-xL inhibitor Selective Mcl-1 inhibitors,13,Bak,Peptidomimetic approach mimic the a-helix of the BH3 peptides,JACS,2005,127(29): 10191-10196 JACS,2005,127(15): 5,463-5468,14,J Biol Chem. 2011 ,18; 286(11): 93829392,Organic Letters,2007, 9(19): 3733-3736.,Bim BH3 a-helix,J. Med. Chem. 2012, 55, 1073510741,15,ABT-737, ABT-263 and their analogs,16,SAR by NMR與ABT-737系列的發(fā)現(xiàn),SAR by NMR（由Shuker小組開發(fā)）：通過NMR技術(shù)將合理性藥物設計和非合理性藥物設計(組合化學)巧妙地結(jié)合起來，產(chǎn)生了一種極為有效的發(fā)現(xiàn)藥物靶分子高親和性配體的方法。 步驟：1、篩選出一個和15N標記的靶蛋白結(jié)合的小分子 2、對第一個小分子類似物進行篩選， 通過結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系進行優(yōu)化。 3、用同樣的方法得到與第二個位點結(jié)合的 第二個小分子，并對其篩選、優(yōu)化。并用多維NMR技術(shù)測定 蛋白質(zhì)和兩個配體的復合物的完整三維空間結(jié)構(gòu)，得到兩個 配體在靶蛋白上確切的結(jié)合位置及其空間取向。,3.Screen for second ligand,2D 1H-15N HSQC譜中蛋白的H1或N15化學位移變化。,17,Science. 1996 Nov 29;274(5292):1531-4.,4.基于上述三維結(jié)構(gòu)設計恰當?shù)倪B接橋?qū)蓚€片段連接起來，使得到的分子和靶蛋白結(jié)合時保持各自獨立時的結(jié)合位置及其空間取向，最終篩選得到一個高親和性的配體. 特點：首先篩選結(jié)合于生物靶分子亞活性位點的低親和性配體，然后通過優(yōu)化和組裝便得到所期望的高親和性配體。 優(yōu)點：NMR實驗方法來辨別小分子和靶蛋白的結(jié)合，能快速地從小分子化合物庫中發(fā)現(xiàn)結(jié)合于靶蛋白亞活性位點的低親和性配體。如Fesik等篩選溶基質(zhì)素(stromelysin)的抑制劑只用了半年時間。 限制：知道靶蛋白確切的NMR三維結(jié)構(gòu)、提供足夠量的15N標記的靶蛋白(200mg) （25 kDa） 、解析蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的能力。,Link ligands,連接基團成功的關(guān)鍵是連接橋的長度及其性質(zhì)（如剛性）,Science 274, 1531-1534 (1996),18,ABT-737系列的發(fā)現(xiàn)過程,1.為BCL-xL篩選第一個配體。 從平均分子量為200Da的10 000個化合物片段庫中篩選出來1,黑：HSQC of 15N-Bcl-xL,紅：HSQC of 15N-Bcl-xL with biaryl acid（ 1 ）,1的羧基能與R139結(jié)合，相當與Bcl-XlBak復合物中的D83,19,Site1: Tyr 101, Leu 108, Val 126 and Phe 146,20,2.篩選第二個配體,從平均分子量為125Da的3500個化合物中篩選出11,黑: HSQC of 15N-Bcl-xL. 紅: HSQC of 15N-Bcl-xL with biaryl acid (1). 綠: HSQC of 15N-Bcl-xL with napthol (11).,21,連接方式,25的活性比1提高了大概200倍，但溶解度不好,11,22,J Med Chem 49, 656-663 (2006),聯(lián)苯替代Bak-BH3的V74、Leu78 硝基苯替代Ile85 酰基磺胺上O與R139接近，替代Bak的Asp83 并且兩個芳環(huán)與Y194，F(xiàn)97重疊，形成疏水性的 stacking作用,Site 2,23,A-385358,31,不幸的是，31在HSA存在情況下與Bcl-Xl 結(jié)合大大下降。它能與HSA的domain III 緊密結(jié)合。,J. Med. Chem.2006,49,1165-1181,68倍的失活,Bcl-xL Ki 1nM Bcl-xL Ki 10% HS:35nM,24,增加site1的極性,ABT-263-口服小分子抑制劑,1，改變叔胺的pka，顯著增加口服吸收。 (pKa 7.5）用弱堿性的嗎啉取代。 2，芳硝基在體內(nèi)能產(chǎn)生毒性代謝物。 3，4-氯聯(lián)苯部分發(fā)生氧化代謝。,ABT-737,ABT-263 MW:974,Pka10,J. Med. Chem.2008,51,69026915 Nature Reviews Drug Discovery 2008，7(12): 989-1000,25,MW：813.43,ABT-737/ABT-263類似物（以結(jié)構(gòu)為基礎的藥物設計）,喹唑啉類,JACS. 2006,128, 16206-16212 J. Med. Chem.2011, 54,19141926 J. Med. Chem.2012, 55, 46644682 J. Med. Chem.2012, 55, 61496161 J. Med. Chem.2012, 55, 85028514 J. Med. Chem.2013, 56, 30483067,4,5-二苯基吡唑類,Bcl-2/Bcl-xL:Ki1 nM,A,Optimization,BM-957,26,27,總結(jié),1、ABT-737/ABT-263打破了lipinsks rule of five。 一方面是由于雅培公司研究人員用SAR by NMR，平行合成，基于結(jié)構(gòu)藥物設計多種方式設計小分子抑制劑；另一方面，對小分子與受體結(jié)合模式的進行雙向研究，相互理解。 2、對研究者研究Bcl-2家族蛋白，及設計小分子抑制劑有很好的指導作用：BCl-2/BCl-Xl三維結(jié)構(gòu)的理解、 SAR by NMR、Structure-Based Design，F(xiàn)BDD等。,28,pan-active inhibitor of Bcl-2,29,Obatoclax,Phase II,AT-101,Phase II/III,早期研發(fā)的抗凋亡蛋白小分子抑制劑基本上都是pan-Bcl-2 antagonist 包括三聯(lián)苯類， HA-14-1及其類似物，棉酚及其衍生物，BH3I及其衍生物等,BH3I-1,S1,DCBL55,Journal of Medicinal Chemistry,2010,53(9): 3465-3479 Nature Reviews Drug Discovery ,2008,7(12): 989-1000,30,ABT-199 Selectively Kills BCL-2-Dependent Tumor Cells While Sparing Platelets (A) Navitoclax (ABT-263) binds with high affinity to both BCL-2 and BCL-XL. Because many tumors, particularly lymphoid malignancies, are addicted to BCL-2 for survival,.,Cancer Cell , 2013,23(2),139 - 141,ABT-199：Selective Bcl-2 inhibitor,31,Nature medicine,2013,19(2):202-8,BCL-2 Ki 0.010 nM BCL-XL Ki = 48 nM BCL-W Ki = 245 nM,Phase I/II,Phase I,32,化合物1與Bcl-2,化合物2與Bcl-2,化合物1與Bcl-2的晶體復合物中 發(fā)現(xiàn)1與一個 Bcl-2結(jié)合時，另外 一個Bcl-2的Trp30的吲哚環(huán)會插入P4位點 與Asp103形成氫鍵。 同時產(chǎn)生-stacking作用 而Asp103相當于Bcl-xl的GLu96。,33,其它,YC137,34,WEHI-539 :a selective BCL-XL inhibitor,Nature Chemical Biology 9, 390397 (2013),benzothiazole-hydrazone scaffold,P2,P4,苯并噻唑腙深入P2位點里面，并