以bcl-2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计ppt

以BCL-2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计 Bcl-2 Family Proteins as Therapeutic Targets for anticancer drug design Date: 2013-05-23 1 Outline Background l Hallmarks of Cancer l The Bcl-2 Protein Family Model of BH3 mimetic-induced apoptosis Structure basis for designing ligands Small molecule inhibitors lPeptidomimetic approach mimic the a-helix of the BH3 peptides lABT-737, ABT-263 and their analogs lpan-active inhibitor of Bcl-2 lSelective Bcl-2 inhibitors lselective BCL-xL inhibitor lSelective Mcl-1 inhibitors 2 ,Cell,144(5): 646-674 Hallmarks of Cancer 3 Extrinsic and intrinsic pathways of apoptosis Expert Opin. Ther. Patents (2012) ,22(1):37-55 4 Model of BH3 mimetic-induced apoptosis 一、直接模型： 抑制剂代替促凋亡蛋白BAK/BAX，与抗 凋亡蛋白Bcl-2/Bcl-xl结合，从而抑制后者， 促进细胞凋亡 二、间接模型 抑制剂替代特定的激活因子BH3-only蛋 白，与抗调亡蛋白如BCL-2/BCL-xL结合， 游离出来的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. 7 Structure basis for designing ligands 8 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. 9 抗凋亡蛋白(BCL-2)是通过其 表面疏水凹槽与促凋亡类 (BIM)的 BH3区域结合发生相 互作用，调节细胞正常的生理 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 10 Bcl-xL and Bak-BH3 Surface representation of the binding pocket of Bcl- xL bound to the Bak peptide 11 . “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 12 5个疏水中心 (P1, P2, P3, P4和P5) 4个氢键供体 (D1, D2, D3和 D4) 2个氢键受体 (A1 and A2) Bcl-2活性部位分布图 在受体D1、D2、D3、A1位点出现比较频繁 ，与受体形成静电作用能提高亲和力与特异 性 D4，A2位点出现频率较小，能量贡献不大 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 14 Bak Peptidomimetic approach mimic the a-helix of the BH3 peptides JACS,2005,127(29): 10191-10196 JACS,2005,127(15): 5,463-5468 15 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 16 ABT-737, ABT-263 and their analogs 17 SAR by NMR与ABT-737系列的发现 SAR by NMR（由Shuker小组开发）：通过NMR技术将合理性药 物设计和非合理性药物设计(组合化学)巧妙地结合起来，产生了一种极为有效 的发现药物靶分子高亲和性配体的方法。 步骤：1、筛选出一个和15N标记的靶蛋白结合的小分子 2、对第一个小分子类似物进行筛选， 通过结构与活性的关系进行优化。 3、用同样的方法得到与第二个位点结合的 第二个小分子，并对其筛选、优化。并用多维NMR技术测定 蛋白质和两个配体的复合物的完整三维空间结构，得到两个 配体在靶蛋白上确切的结合位置及其空间取向。 3.Screen for second ligand 2D 1H-15N HSQC谱中蛋白的H1 或N15化学位移变化。 18 Science. 1996 Nov 29;274(5292):1531-4. 4.基于上述三维结构设计恰当的连接桥将两个片段连接起来，使得到的 分子和靶蛋白结合时保持各自独立时的结合位置及其空间取向，最终 筛选得到一个高亲和性的配体. 特点：首先筛选结合于生物靶分子亚活性位点的低亲和性配体，然后 通过优化和组装便得到所期望的高亲和性配体。 优点：NMR实验方法来辨别小分子和靶蛋白的结合，能快速地从小 分子化合物库中发现结合于靶蛋白亚活性位点的低亲和性配体。如 Fesik等筛选溶基质素(stromelysin)的抑制剂只用了半年时间。 限制：知道靶蛋白确切的NMR三维结构、提供足够量的15N标记的靶蛋 白(200mg) （25 kDa） 、解析蛋白质三维结构的能力。 Link ligands 连接基团成功的关键 是连接桥的长度及其 性质（如刚性） Science 274, 1531-1534 (1996) 19 ABT-737系列的发现过程 1.为BCL-xL筛选第一 个配体。 从平均分子量为200Da的10 000个 化合物片段库中筛选出来1 黑：HSQC of 15N-Bcl -xL 红：HSQC of 15N-Bcl-xL with biaryl acid（ 1 ） 1的羧基能 与R139结合 ，相当与Bcl -XlBak复 合物中的 D83 20 Site1: Tyr 101, Leu 108, Val 126 and Phe 146 21 2.筛选第二个配体 从平均分子量为125Da的 3500个化合物中筛选出 11 黑: HSQC of 15N-Bcl-xL. 红: HSQC of 15N-Bcl-xL with biaryl acid (1). 绿: HSQC of 15N-Bcl-xL with napthol (11). 22 连接方式 25的活性比1提高了大概200倍，但溶解度不好 11 23 J Med Chem 49, 656-663 (2006) 联苯替代Bak-BH3的V74、Leu78 硝基苯替代Ile85 酰基磺胺上O与R139接近，替代Bak的Asp83 并且两个芳环与Y194，F97重叠，形成 疏水性的 stacking作用 Site 2 24 A-385358 31 不幸的是，31在HSA存在情况下与Bcl-Xl 结合大大下降。它能与HSA的domain III 紧密结合。 J. Med. Chem.2006,49,1165-1181 68倍的失活 Bcl-xL Ki 1nM Bcl-xL Ki 10% HS:35nM 25 增加site1的极性 ABT-263-口服小分子抑制剂 1，改变叔胺的pka，显 著增加口服吸收。 (pKa 7.5）用弱碱性 的吗啉取代。 2，芳硝基在体内能产生 毒性代谢物。 3，4-氯联苯部分发生氧 化代谢。 ABT-737 ABT-263 MW:974 Pka10 J. Med. Chem.2008,51,69026915 Nature Reviews Drug Discovery 2008，7(12): 989-1000 26 MW：813.43 ABT-737/ABT-263类似物（以结构为基础的药物设计） 喹唑啉类 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 4,5-二苯基吡唑类 Bcl-2/Bcl-xL:Ki1 nM A Optimization BM-957 27 28 总结 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员用 SAR by NMR，平行合成，基于结构药物 设计多种方式设计小分子抑制剂；另一方 面，对小分子与受体结合模式的进行双向 研究，相互理解。 2、对研究者研究Bcl-2家族蛋白，及设计小 分子抑制剂有很好的指导作用：BCl-2/BCl- Xl三维结构的理解、 SAR by NMR、 Structure-Based Design，FBDD等。 29 pan-active inhibitor of Bcl-2 30 Obatoclax Phase II AT-101 Phase II/III 早期研发的抗凋亡蛋白小分子抑制剂基本上都是pan-Bcl-2 antagonist 包括三联苯类， HA-14-1及其类似物，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 31 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 32 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 33 化合物1与Bcl-2化合物2与Bcl-2 化合物1与Bcl-2的晶体复合物中 发现1与一个 Bcl-2结合时，另外 一个Bcl-2的Trp30的吲哚环会插入P4位点 与Asp103形成氢键。 同时产生-stacking作用 而Asp103相当于Bcl-xl的GLu96。 34 其它 YC137 35 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位点里面，并与 Ser106,Leu108形成氢键作用 羧基与Arg139结合，形成氢键作用 苄胺在P4位点，并且紧密贴合。 氨基与GLu96有静