Vortrag Gruppe 18:Medicinal Chemistry Strategies for the Development of Kinase Inhibitors Targeting Point Mutations Flashcards
Wofür steht SMKI?
small molecule kinase inhibitor
Welche Probleme treten bei SMKIs vom Typ 1 und 2 auf?
binden an ATP-Bindetasche der Kinasen
- zu geringe Selektivität
- Inhibiton auch anderer Kinasen
- Aufkommen von SMKI-Resistenzen durch Entstehung von Bypass Signalwegen (off-target Resistenzen)
- Resistenzen durch sekundäre/tertiäre Mutationen in Zielkinase (on-target Resistenzen) : Gatekeeper-Residues und solvent front
Welche Strategien zur Überwindung von Resistenzen, die durch on-target Punktmutationen hervorgerufen wurden, verfolgt man?
- Vermeidung sterischer Hindernisse
- Interaktionen mit mutierten Resten
- kovalente Bindung an ein Active Site-Cystein
- Resistenzen gegen irreversible SMKIs durch reversible SMKIs überwinden
- allosterische Inhibitoren
- PROTACs
Wie können zum Beispiel sterischer Hindernisse die durch Mutationen hervorgerufen wurden umgangen werden?
- Einbau eines Alkin-Linker (Imatinib zu Ponatinib)
- Makocyclisierung: weniger flexible Konformation
Vermeidung von sterischen Hindernissen
ALK-Inhibitoren
Crizotinib
Welche Mutation/en tritt auf? Wie wirkt sich diese aus?
Gatekeeper-Mutation
Verlust Van der Waals WW zwischen Methylsubstituenten und Leucinrest
Solvent front Mutation
sterischer Zusammenstoß des Piperidinrings aufgrund des erhöhten Volumen des Arginin-Rests
>>>Resistenzbildung aufgrund dieser Mutationen
Vermeidung sterischer Hindernisse
ALK-Inhibitoren
Lorlatinib
Wie wurde die sterische Hinderung umgangen?
Regridisierung durch Makrocyclus
Interaktion mit mutierten Resten
ALK Inhibitor Ceritinib
Wie wird die Gatekeeper Mutation umgangen?
durch Einführung Chlorsubstituent:
hydrophobe WW mit ATP bindenden Domäne
Interaktion mit mutierten Resten
ALK Inhibitor Brigatinib
Wie werden die Resistenzen umgangen?
WW mit Chlorsubstituenten an mutierten Methioninrest
zusätzlich Einführung flexiblen Pyperidinrest >Vermeidung sterischer Hinderung
kovalente Bindung mit der active site-cystein
Beispiel Afatinib
Strategie?
kovalente Bindung zwischen solvent-front cystein und Michael Akzeptor des SMKIs
>>irreversible Imhibition des Targets
kovalente Bindung mit der active site-cystein
Beispiel Osimertinib
Strategie?
zusätzlich zum Michael-Akzeptor mutante selektive WW (hydrophobe WW und H-Brücken)
>U-Förmige Konformation
Resistenz gegen irreversible SMKIs mit reversiblen SMKIs überwinden
Strategie?
Beispiel BI-4020
Makrocyclisierung
Rigridisierung> unter Umständen affiner zum Target
SMKI wird in seiner aktiven Form fixiert
Überwinden von Mutationen in ATP-Bindetasche durch allosterische Inhibitoren
Beispiel:Asciminib
In welcher Bindetasche werden diese binden?
Funktionsweise?
binden außerhalb der ATP-Bindetasche allosterisch
>hier in Meristoylbindetasche
zum Überwinden einer durch Gatekeeper-Mutation entstandenen Resistenz
Substratmimetikum
Induzierte Degradierung mutierter Kinasen durch PROTACs
Wofür steht PROTAC?
Funktionsweise?
PROTAC:Proteolysis-Targeting Chimera (“auf Proteolyse abzielendes Molekül”)
PROTACs binden an Zielprotein und E3-Ubiquitin Ligase gleichzeitig
>Zielprotein wird ubiquitiniert und abgebaut
Wie bilden sich Punktmutationen bei den Kinasen in Krebszellen auf der molekularbiologischen Ebene aus?
- durch hydrolytische Desaminierungen oder Methylierungen der DNA-Basen
>>bei Replikationen Fehlpaarungen
Zb. Cytosin zu Uracil
Adenin zu Hypoxanthin
Methylierung von Cystein zu 5.Methylcystein durch SAM>Desaminierung zu Thymin
- anderer Grund: chemische Mutagene führen zu Veränderungen der DNA und Mutationen der Kinasen
Warum sind Krebszellen mit sekundären Mutationen gefährlicher?
- Gabe von SMKI zur Behandlung der primären Mutation>Selektionsdruck
- wenn sekundäre Punktmutation unf Aufbau Resistenz gegen SMKI
>schnellere Replikation
Warum ist die targeting point mutations-Strategie vor allem für Kinasen als Targets relevant?
- humanes Kinom (Gesamtheit aller hum. Proteinkinasen) sehr groß ist
- Kinasen häufig entscheidende Stellen der Signaltransduktion darstellen
> Selektivität von SMKIs sehr wichtig
- mit targeting point mutations-Strategie können Wirkstoffe auf bestimmte Mutanten der Kinasen abzielen.
- beispielsweise durch die Interaktion der SMKIs mit mutierten Reste
Wie wird die Indikation eines Arzneistoffs für einen Patienten mit einer spezifischen Mutation ermittelt?
personalisierte Medizin: molekulargenetischer Untersuchung
- Probe: mittels Liquid Biopsy (Blut, nicht invasiv) oder gewöhnlicher Gewebeentnahme. Diese Probe muss anschließend sequenziert werden
Wie wird das Genom untersucht?
- Next-Generation Sequencing (NGS): Nachweis von Varianten in der DNA-Sequenz:
- Einzelnukleotid-Variation (SNV),
- Insertion-Deletion (Indels),
- strukturelle Variationen (SV) und
- Änderung der Kopienzahl (CNA). .
Welche Information gewinnt man aus der Transkriptom-Analyse?
- über die RNA-Sequenzierung Nachweis von:
- neuartige Transkriptionen,
- Genfusionen,
- SNV,
- Indels nachgewiesen
- Quantifizierung der Genexpression
Was sind epigenetische Marker?
- DNA-Methylierung,
- die Histon-Modifikation
- veränderte DNA-Protein-Interaktion.
Wonach werden die Mutationen nach Identifizierung unterschieden?
passenger oder driver
“driver” : Fördert Wachstum von Malignomen direkt oder indirekt .
“passenger”:trägt nicht zum Wachstum bei, entsteht aber während der Progression eines Tumors.
An welchen Strukturmerkmalen der Kinasen bilden sich begünstigt Punktmutationen aus?
- gatekeeper-Mutationen: Mutationen im Eingangsbereich der ATP-Bindetasche
- Solvent-front Mutationen: Mutationen in der Nähe der Bindetasche, die aus der Kinase in die wässrige Umgebung hinausragen.
- (Mutationen von Cysteinen, die mit kovalenten SMKI´s reagieren: Diese Mutationen spielen nur bei kovalent reversiblen und irreversiblen SMKI`s eine Rolle)
Was ist ein Gatekeeper?
- Oft sind Aminosäuren wie Threonin, die als Teil des activation loop die Aktivität der jeweiligen Kinase regulieren.
- Im inaktiven Zustand blockiert Threonin so den Zugang zur Bindetasche, indem es Wasserstoffbrücken zu anderen Aminosäuren ausbildet und das Gate verschließt.
- Wird Threonin durch eine vorgeschaltete Kinase phosphoryliert, bildet sich bevorzugt eine Salzbrücke zu einer anderen Seitenkette (z.B. Arginin) mit positiver Ladung aus; das Gate ist nun offen, ATP kann binden und die Kinase ist aktiv.
Was ist eine Gatekeeper-Mutation?
- Mutation im Eingangsbereich der ATP-Bindetasche
- Zb: Mutation des Threonins zu Methionin: keine Regulation mehr, weil Methionin das Gate nicht mehr effektiv verschließt (keine Wasserstoffbrücke).
- Die Kinase ist daher (wenn keine weiteren Regulationsmechanismen vorliegen) konstitutiv aktiv.
- Inhibitor kann ggf aufgrund sterischer Hinderung nicht mehr an die Kinase binden kann.
Was bezeichnet man als solvent-front Mutationen?
- Mutationen in der Nähe der Bindetasche, die aus der Kinase in die wässrige Umgebung hinausragen.
- Im Gegensatz zu Gatekeeper Mutationen:keine Beeinflussung der ATP-Bindung
- können sterische Interaktionen mit SMKI´s ausbilden und deren Affinität zum Target mindern.
- Interaktionen entstehen vor allem mit dem Teil des Inhibitors, der aus der ATP-Bindetasche herausragt
Was sind die Vor- und Nachteile der form covalent bond-Strategie?
Vorteile:
- Target dauerhaft gehemmt und muss von der Zelle neu synthetisiert werden
Nachteile:
- massiven Off-target Wirkungen, unselektives Abreagieren auch an anderen Kinasen
- Target kann nicht mehr seine physiologische Aufgabe erfüllen
- nach irreversibler Inhibition des Targets: Proteolyse> Bildung von Peptidfragmenten wo Inhibitor noch gekoppelt > Haptenisierung eines körpereigenen Peptids & Immunreaktion des Körpers
Mutationen von Cysteinen, die mit kovalenten SMKI´s reagieren
Für welche SMKIs relevant?
Wie äußern sich diese Mutationen?
- nur bei kovalent reversiblen und irreversiblen SMKI`s
- Ein Cystein (wwird durch eine Punktmutation mit einer anderen Aminosäure ersetzt
- keine Reaktion mehr mit Michael-Akzeptor des SMKI`s
- Inhibitor verliert seine Affinität zum Target
- Nebenwirkungen durch Reaktionen mit Off-Targets auf
Bei der making interactions-Strategie sollen zusätzliche physikochemische Interaktionen generiert werden. Welche Typen von physikochemischen Wechselwirkungen zwischen Proteinen und small molecules kennen Sie?
- H-Brücken (10-20 kJ/mol): oft sind polare Seitenketten wie Tyrosin, Serin oder Glutamin an Wasserstoffbrücken beteiligt
- Ionischen Wechselwirkungen/Salzbrücke(250 kJ/mol):ypische Reste sind Asparaginsäure, Arginin und Histidin.
- π-WW π - π (50 kJ/mol), OH - π (<10 kJ/mol) und Kation - π(variabel):aromatische AS oder Lysin
- Van-der-Waals-Wechselwirkung (hydrophob) :0,5-5 kJ/mol.
Wie könnte man die Nachteile durch kovalent-reversible Inhibitoren adressieren?
- Bei Verwendung kovalent-reversibler Inhibitoren: Bildung einer kovalenten Bindung eine hohe Affinität zum Target erhalten
- bei einem Target-selektiven Design des Inhibitors weitere WW zu anderen AS-Seitenketten (welche bei Off-targets nicht vorliegen)
- Diskrepanz zwischen den Affinitäten vom jeweiligen Target und den Off-targets verringert die Toxizität
- eventuelle gebildete peptidische Antigene aufgrund der Reversibilität nicht stabil
