以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计

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1、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 designDate: 2013-05-23 1 OutlineBackgroundl Hallmarks of Cancerl The Bcl-2 Protein FamilyModel of BH3 mimetic-induced apoptosisStructure basis for designing ligandsSmall molecule inhibitors l Peptido

2、mimetic approach mimic the a-helix of the BH3 peptidesl ABT-737, ABT-263 and their analogsl pan-active inhibitor of Bcl-2l Selective Bcl-2 inhibitorsl selective BCL-xL inhibitorl Selective Mcl-1 inhibitors 2 ,Cell,144(5): 646-674Hallmarks of Cancer 3 Extrinsic and intrinsic pathways of apoptosis Exp

3、ert Opin. Ther. Patents (2012) ,22(1):37-55 4 The Bcl-2 Protein FamilyThe 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: Pred

4、icted to form ion channels BH3: The ”suicide domain” regulates cell death BH4: Thought to confer anti-apoptotic activity. (Chan 286(11): 93829392 Organic Letters,2007, 9(19): 3733-3736. Bim BH3 a-helixJ. Med. Chem. 2012, 55, 107351074116 ABT-737, ABT-263 and their analogs 17 SAR by NMR与 ABT-737系 列 的

5、 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

6、 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 ligand2D 1H-15N HSQC谱 中 蛋 白 的 H1或 N15化 学 位 移 变 化 。 18Science. 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

7、 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

8、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

9、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 withbiaryl 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

10、 of 15N-Bcl-xL.红 : HSQC of 15N-Bcl-xL withbiaryl acid (1).绿 : HSQC of 15N-Bcl-xL withnapthol (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 1123 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

11、 的 stacking作 用 Site 224 A-38535831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.2006,49,1165-118168倍 的 失 活 Bcl-xL Ki 1nMBcl-xL Ki 10% HS:35nM25 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

12、 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:974Pka10 J. Med. Chem.2008,51,69026915Nature Reviews Drug Discovery 2008， 7(12): 989-100026MW： 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, 16206-16212J. Med. Chem.2011, 54,19141926J. Med. Chem.2012,

13、 55, 46644682J. Med. Chem.2012, 55, 61496161J. Med. Chem.2012, 55, 85028514J. Med. Chem.2013, 56, 304830674,5-二 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

14、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-101Phase II/III 早 期 研 发 的 抗 凋 亡 蛋 白 小

15、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 DCBL55Journal of Medicinal Chemistry,2010,53(9): 3465-3479Nature Reviews Drug Discovery ,2008,7(12): 989-1000 31 ABT-199 Selectively Kills BCL-2-Dependent Tumor Cells While Sparing Plat

16、elets (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):202-8BCL-2 Ki 0.010 nMBCL

17、-XL Ki = 48 nMBCL-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 C

18、hemical Biology 9, 390397 (2013)benzothiazole-hydrazone scaffoldP2 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 电 作 用WEHI-539替 代 Phe105,使 得 P2疏 水 口 袋更 深 （ ABT-737） 。 P2具 有 可 塑 性 。 P4BCL-XL： IC50= 1.1 nM选 择 性 ： 500-fold

19、over BCL-2 400-fold over BCL-W, MCL-1 Arg139Phe105 Tyr195 36Glu96 2.2 M0.77 M12化 合 物 活 性 虽 未 提 高 ， 但 晶 体 复 合 物 发 现 ， 苯 并 噻 唑 腙 深 入 P2位 点 里 面 ， 贴 合 紧 密 ，并 且 与 Ser106,Leu108形 成 氢 键 。酰 基 磺 胺 与 Arg139的 胍 基 相 互 作 用 37 优 化 38WEHI-539 Selective Mcl-1 inhibitorMarinopyrrole A J Biol Chem. 2012 , 287： 10224-

20、10235J. Med. Chem.2013, 56, 1530WO2013052943A2Ki： 0.32M10M UMI-77Ki： 0.49M 39 小 结 由 肿 瘤 细 胞 的 十 大 特 征 引 出 细 胞 凋 亡 及 Bcl-2蛋 白 家 族 。 以 Bcl-2蛋 白 家 族 为 靶 点 的 设 计 小 分 子 抑 制剂 的 结 构 基 础 。 一 些 小 分 子 抑 制 剂 药 化 概 念 ： SAR by NMR， 平 行 合 成 ， Structure-Based Design， Fragment Based Drug Design， high throughput screening 40 41