以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计课件

以BCL-2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Bcl-2FamilyProteinsasTherapeuticTargetsforanticancerdrugdesignDate:2013-05-231OutlineBackgroundHallmarksofCancerTheBcl-2ProteinFamilyModelofBH3mimetic-inducedapoptosisStructurebasisfordesigningligandsSmallmoleculeinhibitorsPeptidomimeticapproach—mimicthea-helixoftheBH3peptidesABT-737,ABT-263andtheiranalogspan-activeinhibitorofBcl-2SelectiveBcl-2inhibitorsselectiveBCL-xLinhibitorSelectiveMcl-1inhibitors2,Cell,144(5):646-674HallmarksofCancer3TheBcl-2ProteinFamilyTheBcl-2FamilyProteinswithanti-orpro-apoptoticfunction

Characteristics:(Often)aC-terminaltransmembranedomain.Bcl-2homology(BH)domains.Bcl-2proteinsformhomo-andheterodimersviatheirBH-domainsBH1,BH2: PredictedtoformionchannelsBH3: The”suicidedomain”–regulatescelldeathBH4: Thoughttoconferanti-apoptoticactivity.(Chan&Yu.(2004).Clin.Exp.Pharmacol.Physiol.31:119).Chipuk,J.E，MolecularCell，2010，37(3):299-3105ElevatedofBcl-2orBcl-xLexpressionSeminarsinOncology,2004,30(Supplement16):133-142.6ModelofBH3mimetic-inducedapoptosis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。NatureReviewsDrugDiscovery2008，7(12):989-1000ClinicalCancerResearch2009，15(4):1126-1132.Oncogene，2009，27(S1):S149-S157.7ThemolecularbasisforheterodimerformationHeterodimerizationbetweenmembersoftheBcl-2familyofproteinsisakeyeventintheregulationofapoptosispro-apoptoticprotein(Bak)adoptsanamphipathica-helix(BH3domain)thatinteractswithanti-apoptoticproteins(Bcl-xl)throughhydrophobicandelectrostaticinteractionsinthehydrophobiccleft.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-2familyantagonistsforcancertherapy.NatureReviewsDrugDiscovery2008，7(12):989-1000OverlayofBCL-XL–ABT-737complexwithBCL-xlL–BIMBH3complexBcl-2andBIMBH310Bcl-xLandBak-BH3SurfacerepresentationofthebindingpocketofBcl-xLboundtotheBakpeptide11."StructureofBcl-xL-BakPeptideComplex:RecognitionBetweenRegulatorsofApoptosis."Science1997，275(5302):983-986.5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(A1andA2)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):6407-6417SmallmoleculeinhibitorsPeptidomimeticapproach—mimicthea-helixoftheBH3peptidesABT-737,ABT-263andtheiranalogspan-activeinhibitorofBcl-2SelectiveBcl-2inhibitorsselectiveBCL-xLinhibitorSelectiveMcl-1inhibitors14BakPeptidomimeticapproach—mimicthea-helixoftheBH3peptides

JACS,2005,127(29):10191-10196JACS,2005,127(15):5,463-546815ABT-737,ABT-263andtheiranalogs17SARbyNMR与ABT-737系列的发现SARbyNMR（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.Screenforsecondligand2D1H-15NHSQC谱中蛋白的H1或N15化学位移变化。18Science.1996Nov29;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)（<25kDa）

、解析蛋白质三维结构的能力。Linkligands连接基团成功的关键是连接桥的长度及其性质（如刚性）Science274,1531-1534(1996)19Site1:Tyr101,Leu108,Val126andPhe146212.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:HSQCof15N-Bcl-xL.红:HSQCof15N-Bcl-xLwithbiarylacid(1).绿:HSQCof15N-Bcl-xLwithnapthol(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1123A-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domainIII紧密结合。J.Med.Chem.2006,49,1165-118168倍的失活Bcl-xLKi<1nMBcl-xLKi10%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-737ABT-263MW:974Pka10J.Med.Chem.2008,51,6902–6915NatureReviewsDrugDiscovery2008，7(12):989-100026MW：813.43总结1、ABT-737/ABT-263打破了lipinsk’sruleoffive。一方面是由于雅培公司研究人员用SARbyNMR，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、SARbyNMR、Structure-BasedDesign，FBDD等。29pan-activeinhibitorofBcl-230ObatoclaxPhaseIIAT-101PhaseII/III早期研发的抗凋亡蛋白小分子抑制剂基本上都是pan-Bcl-2antagonist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-1S1DCBL55JournalofMedicinalChemistry,2010,53(9):3465-3479NatureReviewsDrugDiscovery,2008,7(12):989-100031ABT-199SelectivelyKillsBCL-2-DependentTumorCellsWhileSparingPlatelets(A)Navitoclax(ABT-263)bindswithhighaffinitytobothBCL-2andBCL-XL.Becausemanytumors,particularlylymphoidmalignancies,areaddictedtoBCL-2forsurvival,...CancerCell,2013,23(2),139-141ABT-199：SelectiveBcl-2inhibitor32Naturemedicine,2013,19(2):202-8BCL-2Ki<0.010nMBCL-XLKi=48nMBCL-WKi=245nMPhaseI/IIPhaseI33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π-stacking作用而Asp103相当于Bcl-xl的GLu96。34其它YC13735WEHI-539:aselectiveBCL-XLinhibitorNatureChemicalBiology9,390–397(2013)benzothiazole-hydrazonescaffoldP2P4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（