Binding Mode Studies of Human Topoisomerase I Inhibitors by Flexible Docking

Abstract

DNA topoisomerase I(Topo I) helps the control of DNA replication, transcription by assisting breaking and rejoining of DNA double strand. The active site residue, Tyr723, in Topo I becomes covalently linked to 3’end of the DNA cleavage strand, then a Topo I-DNA cleavable complex is formed and supercoiled DNA is relaxed. In this step, Topo I binds the cleavage complex and stabilizes the ternary complex which eventually blocks DNA relegation, resulting in double strand breaks and ultimately cell death. Topo I inhibitors are constantly studied as a novel candidate for anticancer drugs due to it’s inhibitory capacity of Topo I activity in tumor cell. In this study, two kinds of compound expected to be Topo I inhibitors are divided into part I and part Ⅱ and are docked into the X-ray crystal structure of human Topo I-DNA binding complex obtained from Topo I-DNA-ligand ternary complex(part I:1K4T, part Ⅱ: 1SC7) using the flexible docking program Surflex-Dock in SYBYL package(7.3.3). In part I, the structures of 20S-CPT analogs which are suggested to have Topo I inhibition activity data were docked into Topo I-DNA cleavable complex. The docking results demonstrated that most of the compounds with IC50 under 0.5 μM intercalated exactly between the -1 and +1 DNA bases(T10-G11), deeply toward the catalytic site residue Ptr723. The complex was stabilized by hydrogen-bond network with Topo I amino acid residues. Most of the compounds with IC50 above 0.5 μM were poorly docked and did not intercalate. In part Ⅱ, indenoisoquinoline analogs, a non-CPT family which overcomes CPT’s chemical instability, short half-life, and side effects, were tested. The docking results showed that the compounds with activity better than NSC314622 intercalated between the -1 and +1 base pairs at the cleavage site. In contrast to the X-ray crystal structure, some compounds’ substituents of the lactam nitrogen are toward the minor groove, but they remain intercalative mode binding between the -1 and +1 bases. Those with little or no activities did not intercalate in our docking results. In conclusion, docking results of twelve compounds in part I and twelve compounds in part Ⅱ demonstrated the overall correlation between the Topo I inhibition activity and the binding affinity. Thus, it could be a useful method to the development of therapeutically effective new Topo I inhibitors.;DNA Topoisomerase I(Topo I)은 DNA 이중 가닥의 끊어짐이나 재연결에 관여함으로써 DNA의 복제, 전사를 조절한다. Topo I의 활성부위 잔기인 Tyr723이 DNA의 끊어진 가닥의 3’ 말단과 공유결합을 형성하면 Topo I-DNA cleavable complex가 생성되어 supercoiled DNA의 relaxation이 유도된다. 이 단계에 Topo I 저해제가 결합하여 안정한 ternary complex가 형성되면 DNA 재연결이 억제되어 double strand break가 발생하므로 세포가 사멸하게 된다. 암세포의 Topo I을 저해하여 항암효과를 가지는 Topo I 저해제는 새로운 항암제의 후보물질로서 계속해서 연구되고 있다. 본 연구에서는 Topo I의 저해제로 예상되는 두 종류의 화합물들을 part I과 part Ⅱ로 나누어 Tripos SYBYL molecular modeling package(version 7.3.3)에 포함되어 있는 docking module인 Surflex-Dock을 사용하여 Topo I-DNA-ligand ternary complex의 X-선 결정체 구조(part I: 1K4T; part Ⅱ: 1SC7)를 근거로 docking 연구를 수행하였다. Part I에서는 Topo I 저해 활성 실험결과를 통해 Topo I의 저해 작용 여부가 밝혀진 20S-CPT analog들을 ligand로 하여 Topo I-DNA cleavable complex에 docking 하였다. Docking 실험 결과, IC50가 0.5 μM 이하인 화합물들은 +1/-1 DNA 염기 (G11-T10) 사이에 intercalative mode로 결합하였고 촉매 활성부위 잔기인 Ptr723에 근접하여 깊숙이 위치하였다. 복합체는 활성부위의 아미노산들과 수소결합을 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 0.5 μM 이상의 화합물들은 대부분 intercalative mode로 docking되지 않았다. Part Ⅱ에서는 CPT의 화학적 불안정, 짧은 반감기, 부작용 등을 극복한 새로운 non-CPT 계열인 indenoisoquinoline analog들을 ligand로 하여 docking 실험을 수행하였다. 그 결과, lead compound인 NSC314622보다 활성이 좋은 화합물들은 대부분 DNA 염기 사이에 intercalative mode로 결합하는 것으로 나타났다. 몇몇 화합물들은 모핵의 N6의 위치가 X-선 결정체 구조와 달리 minor groove로 향해 있었으나 모핵 환이 DNA 염기 사이에서 intercalative mode로 결합하고 주위의 아미노산들 및 DNA와 수소결합을 형성하고 있어 타당한 결합 양상으로 판단하였다. NSC314622보다 활성이 좋지 않은 화합물들은 intercalative mode로 결합하지 못하거나 수소결합 형성에 실패하였다. 이상으로 Part I과 Part Ⅱ에서 각각 12개의 화합물들을 docking한 결과와 Topo I 저해 활성 결과를 비교함으로써 두 결과 사이에 상관관계가 성립함을 확인할 수 있었고, 이러한 결과에서 나타난 대로 computer-aided molecular docking은 새롭고 효과적인 약물의 개발을 위해 매우 유용한 방법이 될 것이라고 생각된다.