M O L E K U L Á R N Í Z Á K L A D Y V Ý V O J E L É Č I V 2 0 1 8 M G R . A N N A H U D C O V Á Ú S T A V C H E M I C K Ý C H L É Č I V V F U B R N O CHEMOGENOMIKA A TEORIE PRIVILEGOVANÝCH STRUKTUR CHEMOGENOMIKA = systematická identifikace malých molekul, které interagují s produkty genomu a ovlivňují jejich biologickou funkci CHEMOGENOMIKA = objevení a popis všech možných léčiv pro všechny možné cíle léčiv Několik definic  GENOMIKA  Studium struktury, funkce, evoluce, mapování a úprav genomů  Genom = kompletní sada DNA organismu, zahrnuje všechny jeho geny  Projekt lidského genomu(1990-2003): identifikace 20-25000 genů  Genetika  Studium jednotlivých genů a jejich role v dědičnosti  PROTEOMIKA  Studium proteinů  Proteom = kompletní sada proteinů daného organismu Více definic  Chemická genomika / CHEMOGENOMIKA  Systematické studium malých molekul, které interagují s cílovými proteiny kódovanými genomem  Pojem „chemogenomika“ je používán specificky ve vývoji léčiv  Chemická genetika  Studium látek, které ovlivňují specifické fenotypy  Analogie se studiem mutací  Chemická biologie  Studium biologických systémů pomocí chemických sloučenin Chemogenomická terminologie  1996  Společnost Glaco Wellcome  Systematický vývoj léčiv založený na analýze genových rodin cílových struktur  Enzymy  Kinázy  Proteázy  GPCRs (receptory spřažené s G-proteiny)  Receptory jádra  Iontové kanály  Transportní proteiny Tradiční přístup k výzkumu  Založený na terapeutických oblastech  Geneticky nesouvisející struktury jsou zkoumány dohromady  Př. pro léčbu neurodegenerativních onemocnění  Acetylcholin a jeho deriváty  Antagonisté muskarinových a nikotinových receptorů  Ir/reverzibilní inhibitory acetylcholinesterázy  Inhibitory agregace β-amyloidů  … Chemogenomický přístup  Analýza nezávisí na biologické funkci  Členové stejné proteinové rodiny mohou sdílet důležité charakteristiky  Stejné ligandy se mohou vázat na stejnou cílovou strukturu → poznatky z předchozích výzkumů je možné vztáhnout na nové projekty Klasifikace proteinů  Běžný fylogenetický přístup CELÁ STRUKTURA  Chemogenomika VAZEBNÁ MÍSTA MALÝCH MOLEKUL Rozdělení proteinkináz: - dle vazebnosti malých molekul (vztah struktura-aktivita) - fylogenetické rozdělení Příklad 1. Identifikace cílových struktur spojených s kardiovaskulárními onemocněními (literární rešerše) 2. Organizace struktur do rodin proteinů 3. Co vše se o těchto proteinech ví? 1. sekvence, terc. struktura 2. Humánní léčiva – které z těchto struktur najdeme u člověka? 4. Využít se dají pouze proteiny se známou strukturou Příklad 5. Data z chemických knihoven – ligandy, které účinkují na minimálně jednu strukturu 6. Charakterizace a rozdělení těchto ligandů (aktivita, chemická struktura) 7. Syntéza, testování PRIVILEGOVANÉ STRUKTURY Privilegovaná struktura je jedinečná molekula schopná vytvářet ligandy pro různé receptory. Evans a kol., 1988 Proč jsou tak zajímavé?  Nové cíle léčiv  Farmaceutický trh  Modelování potenciálních „malých molekul“  Molekuly o malé molekulové hmotnosti (<500 Da)  Teoreticky je možných malých molekul 10E200  Z nich vlastnosti léčiv má 10E60 Charakteristika privilegované struktury  Má výrazné procentuální zastoupení v celkové hmotnosti molekuly  Tvoří centrální část molekuly Plusy  Fyzikálně chemické vlastnosti pro „promiskuitní“ vazby  Menší molekuly mají vyšší schopnost vázat se na různé receptory  Jednodušší povrch struktury (elektrostatická a stérická kompatibilita ligand-receptor) Další charakteristiky Cyklické struktury jsou ideální pro vývoj léčiv  Molekulární rigidita (potřebná nižší entropická energie pro vytvoření vazby)  Lepší biologická dostupnost  Bicyklické a tricyklické molekuly mají ideální velikost pro tvorbu syntetických knihoven Další charakteristiky „Promiskuitní“ ligandy se  silně  specificky  reverzibilně  ale neselektivně váží na členy různých makromolekulárních rodin Limity?  Mají takové struktury limitující využití v souvislosti s jejich „promiskuitou“?  Např. struktura bifenylu byla popsána jako privilegovaná (sub)struktura – najdeme ji v 4,3 % všech známých léčiv.  Vysvětlením pravděpodobně je, že i když mají privilegované (sub)struktury schopnost nespecificky se vázat na řadu receptorů, připojené SUBSTITUENTY jsou pak zodpovědné za receptorovou specifitu, zatímco (sub)struktura zajišťuje vazebnost. KNIHOVNY 1. Knihovny založené na jedné molekule  Screening jedné molekuly (a jejích derivátů) na několika různých cílových strukturách (receptorech)  Příklad: základní fragment = 1,4-benzodiazepin-2-on  Malá knihovna 192 molekul => cholecystokinin A receptor => několik aktivních sloučenin => větší knihovna 1680 sloučenin  Cílové struktury  Cholecystokinin  Gastrin  Centrální benzodiazepinové receptory  Neurokinin-1 antagonisté  Inhibitory K-sekretáz  Inhibitory farnesyl:protein transferázy  Modulátor K+ kanálů 2. DOS a pDOS  Diversity Oriented Synthesis  Nové látky (potenciální léčiva) s vysokým stupněm molekulární diversity  Výsledné DOS-odvozené knihovny obsahují komplexní a různorodé struktury s vysokým počtem stereogenních center  Privileged-substructure-based Diversity Oriented Synthesis 3. HTS  High-Throughput Screening  Automatizované systémy hodnocení  Umožňují rychlé stanovení účinnosti rozsáhlých sérií látek na celých souborech receptorů s využitím extrémně malých množství látky  Využívá se u KOMBINATORIÁLNÍ CHEMIE  Principem je mnohanásobné provedení reakce s různými substráty na polymerní matrici, která umožňuje syntézu až několika tisíc látek současně 4. CtD  Complexity-to-Diversity strategy  Konstrukce knihoven přírodních produktů odpovídajích charakteristikám „malých molekul“  Jsou založeny na široce rozšířených strukturách, které jsou i komerčně dostupné 5. BIOS  Biology Oriented Synthesis  Tvorba malých molekul podobných přírodním produktům  Strukturální motivy a hlavní skelet bioaktivních přírodních produktů slouží jako chemický „navigátor“ pro syntézu nových sloučenin  Výchozími látkami jsou komerčně dostupné přírodní produkty (adrenosteron, chinin, kyselina skořicová) Příklady privilegovaných struktur  1,4-benzodiazepin-2-on  bifenyl  1,4-dihydropyridin  benzopyran  pyranokumarin  2,6-dichloro-9-thiabicyclo[3.3.1]nonan  isoxazol  β-glukóza  monosacharidy obecně  benzazepinon  difenylmethan  bifenyltetrazol  spiropiperidin  4-substituovaný piperidin  indol  benzylpiperidin  fenylpiperazin ZA POZORNOST DĚKUJI