Docking and pharmacophore based design of human topoisomerase I inhibitors and homology modeling of human TCTP

Abstract

Part I. The correlation between molecular docking and in vitro activity of 6-arylamino-7-chloro-quinazoline-5,8-diones on human DNA topoisomerase I Novel human topoisomerase I (TOP1) inhibitors have been recently synthesized based on the antitumor activity of 1,4-naphthoquinone. They are a series of 6-arylamino-7-chloro-quinazoline-5,8-diones on which the cytotoxic activity and the ability to inhibit human TOP1-DNA in vitro were tested [11]. Model structures for the TOP1-DNA-compound cleavable ternary complex were developed using a flexible docking program, QXP, by docking camptothecin (CPT), topotecan, and each of the 15 derivatives of 6-arylamino-7-chloro-quinazoline-5,8-diones into the X-ray crystal structure of the human binary TOP1-DNA cleavable complex. Among the compounds tested, compounds 2, 6, 8, 9, 11, and 13 having strong inhibitory activities were fully intercalated in between the -1 and +1 DNA bases where their template was docked near the cleavage site. They were stabilized by an array of hydrogen bonds and hydrophobic interactions with both the enzyme and the DNA bases. Compounds with weak activities (1, 3-5, 7, 10, 12, 14 and 15) were docked away from the cleavage site. Their templates were stacked in between the non-scissile strand DNA bases. The docking results demonstrated consistent agreement with those of TOP1-mediated relaxation assay and provided potential binding modes of each compound with the TOP1-DNA complex that could be a rational basis for future studies on structure activity relationship between TOP1 and new inhibitors. Part II. The discovery of novel human topoisomerase I inhibitors by common feature pharmacophore modeling The vast number of TOP1 inhibitors that have been developed in the past few years attests that the development of TOP1-targeted drugs as anticancer agents is very active. An important technique in drug design is designing novel drugs based on the pharmacophore search with currently available drugs. In this study, the pharmacophore module in QXP program was used to design eleven novel potential TOP1 inhibitors. Due to the disadvantages of a well-known TOP1 inhibitor CPT, these newly designed compounds had different core planar structures from that of CPT. In addition, molecular physicochemical properties were analyzed with Molinspiration to prove if these compounds were drug-like molecules. We have developed a general model for the ternary drug-TOP1-DNA cleavable complex formed with each of putative TOP1 inhibitors and the X-ray crystal structure of the human TOPI-DNA cleavable complex using QXP. Stabilization of the TOP1-DNA cleavable complex is the common initial event leading to the cytotoxicity of TOP1 inhibitors. Overall, compounds showed either similar or improved interactions indicating that they could stabilize the complexes better than existing TOP1 inhibitors. All planar compounds except for one compound intercalated between the -1 and +1 base pairs, and each ternary complex was stabilized by compounds interacting with TOP1 minor and/or major residues through hydrogen bonding interactions. Although cytotoxicities and TOP1 inhibition activities for modeled compounds are not available, docking, pharmacophore search, and molecule property results presented here provide a conceptual framework to elucidate the structure-activity relationships, and a rational basis for the design of novel TOP1 inhibitors. Part III. Homology modeling of 3D structure and searching for binding compounds of human translationally controlled tumor protein The human translationally controlled tumor protein (hTCTP) is one of several new promising targets for drug intervention. It is known to play an essential role in the development of various organisms, and to function as an antiapoptotic protein. However, the proteins’s structure as well as the mechanism of action is still unknown. In this study, a combination of homology modeling, automated docking, and virtual screening techniques have been used to predict the protein’s 3D structure, the putative ligand binding site, and the interacting compounds as well as its function. The protein model derived from MODELLER was composed of two large (H2-H3) and one small (H1) α-helices, four β-sheets (A-D), and a characteristic flexible loop. A structurally related protein, human retinol binding protein (hRBP), was found through domain search. In addition, two structurally similar proteins from FoldMiner search were found (Serratia marcescens chitinase B and human factor VIII). Therefore, a possible ligand binding site of hTCTP was identified by superimposing the active site areas or catalytically important sites of these proteins, and those of structurally similar hMss4. The cavity in between α-helices H2-H3 and β-sheet A was assigned as the potential ligand binding site called the core A region. There are invariant residues evenly aligned on one side of the β-sheets A-B. Therefore, another putative ligand binding area was designated around them as the core B region. The reproducibility result of retinol in the X-ray crystal structure of hRBP (RMSD=0.84Å) was excellent indicating good docking performance of QXP. Retinol interacted reasonably with the residues of the hTCTP inside the core A region that correlated with those of the active sites of hRBP and human cellular retinol binding protein (hCRBP). Its binding mode in hTCTP was similar to that of in both rat cartilage oligomeric matrix protein (COMP) and Spodoptera frugiperda retinol dehydratase (SfRD). Antihistaminic compounds and other pharmacological compounds with a related structure were reported to kill tumor cells and decrease its expression. Antihistamines (brompheniramine, dexchlorpheniramine and promethazine), antipsychotics (chlorpromazine, flupenthixol and thioridazine), and SSRI antidepressant (sertraline) were docked well inside the core A region. Thirteen out of fifteen novel compounds found from virtual screening interacted well with hTCTP residues. Moricizine (antiarrhythmic agent), N-acetyldesipramine (antidepressant), chlorphenoxamine (antiparkinsonian agent) and descarboethoxyloratadine (antihistamine) also found from virtual screening interacted well with the putative ligand binding site residues. From these docking results, Tyr88 and Phe163 were predicted to be important hTCTP residues because they interacted with all the docked compounds. Three compounds that were suspected to bind into the core B region did not dock in this region. The attempt to establish the interactive relationship between hTCTP and pharmacological compounds will be helpful in further understanding the cell signaling of TCTP. It can be speculated that hTCTP may be involved in allergic reactions (antihistamines), cardiovascular (moricizine), CNS related diseases (antipsychotics, antidepressants and antiparkinsonian agent) and diverse biological activities (retinol) through either direct or indirect binding with respective compounds. We find that the computational tools are sufficiently reliable both for identifying the structure, the putative ligand binding site, the ligand binding modes and for distinguishing functions.;Part I. The correlation between molecular docking and in vitro activity of 6-arylamino-7-chloro-quinazoline-5,8-diones on human DNA topoisomerase I 최근 새로운 topoisomerase I (TOP1) 저해제로 1,4-naphthoquinone의 항암효과를 바탕으로 한 6-arylamino-7-chloro-quinazoline-5,8-diones 유도체들이 합성되었고 TOP1 저해 효과가 검사되었다 [11]. 본 연구에서는 QXP flexible docking 프로그램을 사용하여 TOP1-DNA 복합체의 X-선 구조에 camptothecin(CPT), topotecan 그리고 합성된 15개의 6-arylamino-7-chloro-quinazoline-5,8-diones 유도체 각각을 docking 하여 그 상호작용을 살펴보았다. 그 결과, 저해효과가 높은 화합물인 2, 6, 8, 9, 11 및 13은 구조 전체가 -1과 +1 염기 사이에 끼어들어 깊숙이 결합되었고 이 화합물들의 모핵은 TOP1에 의해 잘려지는 위치에 docking 되어 DNA의 religation을 효과적으로 저해할 것으로 예측된다. 또한, 이 화합물들은 단백질 및 DNA 잔기들과 다수의 수소결합과 소수성 상호작용으로 안정화되었다. 반면에 저해 효과가 낮은 화합물의 경우 (1, 3-5, 7, 10, 12, 14 및 15) 모핵이 TOP1에 의해 잘려지지 않은 위치에 결합하여 DNA의 religation을 저해하지 못할 것으로 보인다. 이상으로 docking 결과 나타난 상호작용과 TOP1 저해작용 간에 상관관계가 성립함을 확인하였다. 각 화합물의 결합형태와 결합위치를 규명함으로써 새로운 화합물들의 TOP1 저해제로서의 효율성을 예측할 수 있는 근거를 제시할 수 있었다. Part II. The discovery of novel human topoisomerase I inhibitors by common feature pharmacophore modeling 신약 개발에서 중요한 기술 중 하나는 현재 존재하는 약물들의 pharmacophore를 바탕으로 신약을 설계하는 것이다. 본 연구에서는 QXP 프로그램의 pharmacophore module을 사용하여 11개의 새로운 TOP1 저해 가능 화합물들을 설계하였다. 기존의 TOP1 저해제인 CPT의 부작용을 고려하여 새로운 화합물들의 평평한 구조는 CPT의 5환링과 다르게 설계하였다. 설계된 화합물들에 대해 Molinspiration 프로그램을 사용하여 약물로서의 가능성을 분석하였다. TOP1 저해제로 개발될 가능성이 있다고 판단된 설계된 화합물들 각각을 TOP1-DNA 복합체의 X-선 구조에 QXP를 사용하여 docking하여 상호작용을 관찰하였다. TOP1 저해제들의 주된 항암효과는 TOP1-DNA 복합체를 안정화시킴으로써 나타나는데, 전반적으로 새로 설계된 화합물들은 기존의 TOP1 저해제들과 유사하게 또는 훨씬 더 효과적으로 TOP1-DNA 복합체를 안정화 시킬 수 있는 것으로 나타났다. 한개의 화합물을 제외한 모든 평평한 화합물들은 -1/+1 염기 사이에 끼어들어 깊숙이 결합되었고 TOP1의 major 또는 minor 잔기들과 다수의 수소결합을 형성하면서 복합체를 안정화시켰다. 비록 설계된 화합물들의 독성 및 TOP1 저해 효과에 대한 실험적인 결과는 없지만 docking 및 pharmacophore와 화합물의 약물 성질 분석에 대한 결과들은 구조-활성에 대한 예측 가능성을 제공하였고 TOP1을 목표로 하는 새로운 항암제의 구조를 고안하는데 합리적인 근거를 제시하였다. Part III. Homology modeling of 3D structure and searching for binding compounds of human translationally controlled tumor protein Human translationally controlled tumor protein (hTCTP)은 새로운 약물 표적단백질 중 하나이다. 이 단백질은 다양한 생물들의 성장에 중요한 역할을 하며 antiapoptotic 단백질로 작용하는 것으로 보고되었다. 그러나 확실한 구조와 기능 및 그 작용 기전은 여전히 알려지지 않고 있다. 본 연구에서는 homology modeling, docking 및 virtual screening 기술을 사용하여 이 단백질의 3차원 구조와 결합부위를 예측하고 이 부위와 결합할 수 있는 화합물을 탐색하여 이 단백질의 기능을 유추하고자 하였다. 단백질의 구조는 MODELLER로 구성하였으며 두 개의 크고 (H2-H3) 한 개의 작은 (H1) α-helices, 4개의 β-sheets (A-D)와 flexible loop로 구성되어 있다. 구조적으로 유사한 단백질 hMss4, human retinol binding protein (hRBP), Serratia marcescens chitinase B, 및 human factor VIII의 활성 부위 또는 기전적으로 중요한 부위들을 hTCTP의 구조와 겹쳐서 hTCTP의 결합 부위를 예측하였다. 그 결과 α-helices H2-H3와 β-sheets A 사이의 공간을 core A 라 하여hTCTP의 결합 부위로 지정하였다. 또한 종들간에 보존된 잔기들이 많은 β-sheets A-B 부분을 core B 라 하여 두 번째 결합 가능 부위로 지정하였다. 새로운 화합물들을 docking하기 전에 hRBP complex의 X-선 구조에 재현성 실험을 하여 RMSD=0.84Å을 얻음으로써 QXP 프로그램의 정확성을 확인하였다. Retinol은 hRBP와 human cellular retinol binding protein (hCRBP)의 활성 부위들을 구성하는 잔기들에 해당하는 hTCTP의 core A 부분과 이상적으로 결합하였다. 결합형태는 retinol이 rat cartilage oligomeric matrix 단백질 (rat COMP)과 Spodoptera frugiperda retinol dehydratase (SfRD)에 결합하는 것과 유사하였다. 항히스타민제와 구조적으로 유사한 화합물들이 암세포를 사멸하고 TCTP의 발현을 감소시킨다는 보고에 근거하여 hTCTP의 core A 부분에 항히스타민제(brompheniramine, dexchlorpheniramine와 promethazine), 항정신병약(chlorpromazine, flupenthixol and thioridazine) 및 SSRI 항우울제 (sertraline)를 docking한 결과, 안정한 상호작용이 발견되었다. 또한 virtual screening을 통하여 검색된 15개의 화합물들 중 13개와 moricizine (항부정맥약), Nacetyldesipramine(항우울제약), chlorphenoxamine (항파킨슨병약) 그리고 descarboethoxyloratadine (항히스타민제)도 hTCTP와 잘 결합하였다. 이러한 docking 결과로부터 거의 모든 화합물들과 상호작용하는 Tyr88과 Phe163이 중요한 hTCTP 잔기들로 예측되었다. Core B 부분에 결합할 것으로 기대된 세 개의 화합물들은 이 부위에 docking되지 않았다. 약물학적 작용이 있는 화합물과 hTCTP 사이의 상호작용 관계를 확립하는 것이 TCTP의 기능을 이해하는 데 도움이 될 것이다. 본 실험결과는 해당하는 화합물들이 hTCTP와 결합하여 알레르기 반응 (항히스타민제), 심혈관계질환 (항부정맥약), 중추신경계 질환들 (항정신병약, 항우울제와 항파킨슨병약)의 치료에 관여할 수 있음을 제시하며 이는 hTCTP의 기능을 유추할 수 있는 좋은 근거가 될 수 있다고 생각된다. 컴퓨터 기술을 이용한 단백질 구조 결정, 화합물 결합 부위 예측 및 결합물질 탐색은 새로운 단백질의 기능을 예측할 수 있는 효율적인 방법으로 사용될 수 있을 것이다.