以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计.ppt

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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:2013-05-231以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计OutlineBackgroundlHallmarks of CancerlThe Bcl-2 Protein FamilyModel of BH3 mimetic-induced apoptosisStructure basis for designing ligandsSmall molecule inhibitorslPeptidomi

2、metic approach mimic the a-helix of the BH3 peptideslABT-737,ABT-263 and their analogslpan-active inhibitor of Bcl-2lSelective Bcl-2 inhibitorslselective BCL-xL inhibitorlSelective Mcl-1 inhibitors2以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计,Cell,144(5):646-674Hallmarks of Cancer3以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Extrinsic and intrinsi

3、c pathways of apoptosisExpert Opin.Ther.Patents(2012),22(1):37-554以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计The Bcl-2 Protein FamilyThe Bcl-2 FamilyProteins 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

4、their BH-domainsBH1,BH2:Predicted to form ion channelsBH3:The”suicide domain”regulates cell deathBH4:Thought to confer anti-apoptotic activity.(Chan&Yu.(2004).Clin.Exp.Pharmacol.Physiol.31:119).Chipuk,J.E，Molecular Cell，2010，37(3):299-3105以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Elevated of Bcl-2 or Bcl-xL expressionSem

5、inars in Oncology,2004,30(Supplement 16):133-142.6以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计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):989-1000Clinic

6、al Cancer Research 2009，15(4):1126-1132.Oncogene，2009，27(S1):S149-S157.7以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Structure basis for designing ligands8以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计The molecular basis for heterodimer formationHeterodimerization between members of the Bcl-2 family of proteins is a key event in the regulation of ap

7、optosispro-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以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计抗凋亡蛋白(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 antag

8、onists for cancer therapy.Nature Reviews Drug Discovery 2008，7(12):989-1000Overlay of BCL-XLABT-737 complex with BCL-xlLBIM BH3 complexBcl-2 and BIM BH3 10以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Bcl-xL and Bak-BH3Surface representation of the binding pocket of Bcl-xL bound to the Bak peptide.Structure of Bcl-xL-Bak Pep

9、tide Complex:Recognition Between Regulators of Apoptosis.Science 1997，275(5302):983-986.11以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Bcl-xL-Bim BH3Mcl-1Bim BH3Bcl-xL/BadProtein Science,2000,9:2528253412以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计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

10、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13以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Small molecule inhibitorsPeptidomimetic approach mimic the a-helix of the BH3 peptidesABT-737,ABT-263 and their analogspan-active inhibitor of Bcl-2Selective Bcl-2 inhibitorsselective BCL-xL inhibitorSelective Mcl-1 inhibitors14以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物

11、设计BakPeptidomimetic approach mimic the a-helix of the BH3 peptidesJACS,2005,127(29):10191-10196JACS,2005,127(15):5,463-546815以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计J Biol Chem.2011,18;286(11):93829392 Organic Letters,2007,9(19):3733-3736.Bim BH3 a-helixJ.Med.Chem.2012,55,107351074116以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计ABT-737,ABT-263

12、 and their analogs17以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计SAR by NMR与与ABT-737系列的发现系列的发现SAR by NMR（由（由Shuker小组开发）：小组开发）：通过通过NMR技术技术将将合理性药合理性药物设计物设计和和非合理性药物设计非合理性药物设计(组合化学组合化学)巧妙地结合起来，产生了一种极为有效巧妙地结合起来，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。的发现药物靶分子高亲和性配体的方法。步骤：步骤：1、筛选出一个和、筛选出一个和15N标记的靶蛋白结合的小分子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，、对第一个小分子类

13、似物进行筛选，通过结构与活性的关系进行优化。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 ligand2D 1H-15N HSQC谱中蛋白的H1或N15化学位移变化。Science.1996 Nov 29;274(5292):1531-4.18以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计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

14、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以

15、bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计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 withbiaryl acid（1）1的羧基能与R139结合，相当与Bcl-XlBak复合物中的D8320以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Site1:Tyr 101,Leu 108,Val 126 and Phe 14621以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计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:HSQ

16、C of 15N-Bcl-xL.红:HSQC of 15N-Bcl-xL withbiaryl acid(1).绿:HSQC of 15N-Bcl-xL withnapthol(11).22以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计 连接方式25的活性比1提高了大概200倍，但溶解度不好1123以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计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 224以bcl2蛋白

17、家族为靶点的抗肿瘤药物设计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:35nM增加site1的极性25以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计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-263 MW:974Pka10J.Med.Chem.2

18、008,51,69026915Nature Reviews Drug Discovery 2008，7(12):989-1000MW：813.4326以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计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.2012,55,46644682J.Med.Chem.2012,55,61496161J.Med.Chem.2012,55,85028514J.Med.Chem.2013,56,304830674,5-二苯基吡唑类

19、Bcl-2/Bcl-xL:Ki1 nMAOptimizationBM-95727以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计28以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计总结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，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面，对小分子与受体结合模式的进行双向研究，相互理解。研究，相互理解。2、对研究者研究、对研究者研究Bcl-2家族蛋白，及设计小家族蛋白，及设计

20、小分子抑制剂有很好的指导作用：分子抑制剂有很好的指导作用：BCl-2/BCl-Xl三维结构的理解、三维结构的理解、SAR by NMR、Structure-Based Design，FBDD等。等。29以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计pan-active inhibitor of Bcl-230以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Obatoclax Phase II AT-101Phase 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-1S1DCB

21、L55Journal of Medicinal Chemistry,2010,53(9):3465-3479Nature Reviews Drug Discovery,2008,7(12):989-100031以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计 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,part

22、icularly lymphoid malignancies,are addicted to BCL-2 for survival,.Cancer Cell,2013,23(2),139-141ABT-199：Selective Bcl-2 inhibitor32以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Nature medicine,2013,19(2):202-8BCL-2 Ki 0.010 nMBCL-XL Ki=48 nMBCL-W Ki=245 nM Phase I/II Phase I33以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计化合物1与Bcl-2化合物2与Bcl-2化合物1与Bcl

23、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以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计其它YC13735以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计WEHI-539:a selective BCL-XL inhibitorNature Chemical Biology 9,390397(2013)benzothiazole-hydrazone scaffoldP2P4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

24、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 over BCL-2 400-fold over BCL-W,MCL-1Arg139Phe105Tyr195Glu9636以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计 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以bcl

25、2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计优化WEHI-53938以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Selective Mcl-1 inhibitorMarinopyrrole AJ Biol Chem.2012,287：10224-10235J.Med.Chem.2013,56,1530WO2013052943A2Ki：0.32M10MUMI-77Ki：0.49M39以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计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 screening40以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计Thanks for your attention!41以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计以bcl2蛋白家族为靶点的抗肿瘤药物设计