Bilgisayardan Laboratuvar ve klinik çalışmalara: Yapı bazlı ilaç tasarımı Türkan Haliloğlu Kimya Mühendisliği Bölümü & Polimer Araştırma Merkezi Boğaziçi Üniversitesi
Yapı bazlı ilaç tasarımı -Hastalık -Hastalıkla ilgili hedef (target) protein -Hedef protein-aday moleküller (ilaç) -Klinik öncesi çalışmalar -Klinik çalışmalar
Yapı bazlı ilaç tasarımı Amaç: Hedef yapıya bağlanan ve hedef yapıyının işlevini etkileyecek bir molekülün bulunması spesifisite bağlanma afinitesi Moleküler tanımanın (molecular recognition) fiziko-kimyasal determinantları?
Yapı bazlı ilaç tasarımı Kliniksel olarak ilgili hedef (target) in belirlenmesi inovatif ilaçların en önemli adımı Proteinler - G protein kenetli reseptörler - Hormon/faktörler - İon kanalları - Nükleer reseptorler Proteinler kompleks biyololojik sistemler Genomik bilgi yeterli değil..
Yapı bazlı ilaç tasarımı Genom Projeleri Maya Genom: 4.6 milyon nükleotit 4289 protein Protein dizileri İnsan Genom: 3 milyar nükleotit ~30-40 bin protein... genomların ve proteomların biyolojik işlevi???
Yapı bazlı ilaç tasarımı Yaşamın karmaşıklık piramidi Oltvai & Barabasi, Science 2002, 298, 763-764
Yapı bazlı ilaç tasarımı Protein-Protein Etkileşmeleri Sistem Biyolojisine Geçiş
P73 kanser terapi için hedef bir protein protein-protein etkileşme ağ yapısı p73 : p53 ailesinin bir proteini İşlevi: apoptosis.. hücre döngüsü kontrolü hücre farklılaştırıcısı Tozluoğlu M, et al. Nucleic Acids Res. 2008 Sep;36(15):5033-49 Cataloging and organizing p73 interactions in cell cycle arrest and apoptosis
Yapı bazlı ilaç tasarımı Yaşamın karmaşıklık piramidi Oltvai & Barabasi, Science 2002, 298, 763-764
Artan spesifisite moleküler makinaların ve mekanizmaların belirliliği Yapı bazlı ilaç tasarımı AA Proteinler 10-10 2 1 10 3 2-10 10 4 10-100 microtube
Biyomoleküler sistemlerin verimli şekilde tasarlanması için biyolojik moleküllerin aktivitilerini denetleyen mekanizmaların anlaşılması esas Protein: dizi, yapı, dimanik ve işlev ilaç rezistansı, spesifisite ve moleküler tanıma, allosteri, hedef dışı (off-target)
Protein: dizi, yapı, dimanik ve işlev Protein katlanma problemi Dizi Yapı Bioinfornatik araçlar Modelleme ve simülasyon Yapısal dinamik/ İşlev Protein-protein, DNA,.. etkileşmeleri
Yapı bazlı ilaç tasarımı Örnek.. HIV proteazı (AIDS) Influenza virüsü (FLU)
HIV-1 proteaz enzimi AIDS hastalığına yol açan HIV tarafından kodlanır. HIV nin Gag ve GagPol poliproteinlerini keserek virüsün olgunlaşmasına sebep olur. AIDS tedavisinde kullanılacak ilaçlar için birincil hedeftir. 1989, X-ışını kristalografisi 1995-1996 Hoffman-La Roche's Invirase (saquinavir), Abbott's Norvir (ritonavir), and Merck and Co., Inc.'s Crixivan (indinavir) (FDA)
HIV-1 proteaz enzimi Başarı hikayesi? HIV-1 proteazın mutant varyantlarının ilaçlara karşı dayanıklılık geliştirmekte... HIV-1 proteaz ve sübstratları arasındaki moleküler tanıma prosesi?
HIV-1 proteaz enzimi Doğal substratları Substrate sites in the Gag polyprotein P4 P3 P2 P1 * P1 P2 P3 P4 S Q N Y * P I V Q matrix-capsid (ma-ca) A R V L * A E A M capsid-p2 (ca-p2) A T I M * M Q R G p2-nucleocapsid (p2-nc) R Q A N * F L G K nucleocapsid-p1 (nc-p1) P G N F * L Q S R p1-p6 Substrate sites in the Pol polyprotein S F N F * P Q I T transframe-protease (tf-pr) T L N F * P I S P protease-rev.trans. (pr-rt) A E T F * Y V D G rev.trans.-rnaseh (rt-rh) R K I L * F L D G Rnase-integrase (rh-in)
1f7a, ca-p2 1kj4, ma-ca SUBSTRAT 1tsu, nc-p1 1kjf, p1-p6 1kj7, p2-nc 1kjh, rh-in 1kjg, rt-rh HIV-1 proteaz enzimi 1hpv, amprenavir-apv 2fxe, atazanavir-atv 1t3r, darunavir-drv INHİBİTÖR 1hsg, indinavir-idv 1mui, lopinavir-lpv 1ohr, nelfinavir-nfv 1hxw, ritonavir-rtv 1hxb, saquinavir-sqv 1d4y, tipranavir-tpv substrat ilaç 1KJF-P1-P6 1OHR-nelfinavir
HIV-1 proteaz enzimi Hangi 8 lik AA dizilerini (substrat) tanır? Substrat ile ilaç bileşik yapılarının yapısal enerji ve dinamiği benzerlik/farklılık? Mutasyon bölgelerinin yapının dinamik davranışı ile ilişkisi. Yapıdaki konumları? Yeni mutasyon bölgelerinin tahmini? İlaca dayanıklığın mekanizması? Proteaz ile substratın birlikte evrimleşme mekanizması? HIV-1 10 ns Kurt N, Scott WR, Schiffer CA, Haliloglu, T. Proteins. 2003 May 15;51(3):409-22
HIV-1 proteaz enzimi -consensus volume- A) Side and (B) top views of static substrate envelope, (C D) respective views of dynamic substrate envelope. Ozen A et al., J Mol Biol. 2011 Dynamics of preferential substrate recognition in HIV-1 protease: redefining the substrate envelope
HIV-1 proteaz enzimi (p1-p6) -consensus volume- ilaç resistansı yaratan enzim mutasyonları: D30N/N88D substratda olan beraber evrim/eş evrim (co-evolution) D30N/N88D/LP1 F P G N F * L Q S R Ozen A et al., Journal of Chemical Theory, 2012 HIV-1 Protease and Substrate Coevolution Validates the Substrate Envelope As the Substrate Recognition Pattern
HIV-1 proteaz enziminin dinamik davranışı Ozer N, et al., Biophys J, 2010 Sep 8;99(5):1650-9. Rationale for more diverse inhibitors in competition with substrates in HIV-1 protease. Ozer N, et al., Biophys J, 2013, yayına gönderildi. Regain of functional dynamics of drug resistant HIV-1 protease through cleavage site co-evolution
Influenza virüsü (FLU-HA) Protein yüzeyi üzerinde spesifik bir bölgeye bağlanacak bir proteinin yapı-bazlı tasarımı: 865 protein structure arasından 2 (77) bileşik yapı istenilen bağlanma afinitesinde -düşük PH de konformasyonel kısıtlama yeast cell-surface display screening deneyleri Fleishman et al., Science, 2012 Computational design of proteins targeting the conserved stem region of influenza hemagglutinin.
Fleishman et al., Science, 2012 Computational design of proteins targeting the conserved stem region of influenza hemagglutinin.
Influenza virüsü (FLU-HA) Hesapsal olarak tasarlanan 77 bileşik yapıdan yalnızca 2 bileşik yapı gerçekten bağlanma gösteriyor? TEST: Moleküler tanımanın (molecular recognition) fiziko-kimyasal determinantlarını yeterince anlıyoruz mu?
Protein-bağlanma bölgeninin modellenmesi üzerine.. Yarışma 28 bilimsel araştırma grubu Model ve doğal bileşik yapılar 87 (model) vs 120 (doğal) Dinamik bilginin yetersizliği Fleishman et al., J Mol Biol, 2012 Community wide assessment of protein-interface modeling using a protein design based benchmark
Özgün ilaçlar için.. Sonuç Hedef proteinin en doğru şekilde seçimi (protein-protein etkileşmeleri) Moleküler tanımanın iyi anlaşılması: Spesifisite, bağlanma afinitileri, allosteri, ilaç rezistansı
Yapı bazlı ilaç tasarımı Proteinler kompleks biyolojik sistemler Son yıllardaki gelişmeler ile: Insan genomı projesi (HGP) Biyonformatik, Moleküler biyoloji,.. Yüksek hızda aktivite taramak (high througput screening) Sanal tarama (virtual screening) Kombinotorial kimya (combinatorial chemistry) Hesapsal yöntemler- Kenetleme (docking)
HIV-1 Protease DARUNAVIR
Drugs derived from structure-based approaches Capoten Captopril ACE Hypertension 1981 Bristol- Myers Squibb Trusopt Dorzolamide Carbonic anhydrase Glaucoma 1995 Merck Viracept Nelfinavir HIV protease HIV/ AIDS 1999 Agouron (Pfizer) and Lilly Tamiflu Oseltamivir Neuraminidase Influenza 1999 Gilead and Roche Gleevec Imatinib BCR- Abl Chronic myelogenous leukaemia 2001 Novartis http://publications.nigms.nih.gov/structlife /chapter4.html