Docking studies of Farnesiferol C onto Src tyrosine kinase and focal adhesion kinase and 3D-QSAR studies of heterocyclic quinones with inhibitory activity on vascular smooth muscle cell proliferation

Abstract

Part I. Docking studies of Farnesiferol C onto Src tyrosine kinase and focal adhesion kinase Farnesiferol C는 Ferula assafoetida L. 에서 분리된 화합물로서 항암치료에 민간요법으로 사용되어 왔으나 정확한 항암효과와 그 기전은 아직 밝혀져 있지 않다. 이에 대한 연구는 계속 진행 중이며 최근 Farnesiferol C가 Src tyrosine kinase와 focal adhesion kinase의 억제를 통하여 강력한 항혈관형성작용을 한다는 이론이 제안되었다. 이에 따르면 Farnesiferol C는 VEGF와 VEGFR-1의 결합을 억제하되 VEGFR-2와의 결합은 억제하지 않으며, p125^(FAK) and Src (pY416)의 VEGF-induced phosphorylation 역시 농도의존적으로 억제하는 효과를 보였다. 본 연구에서는 Farnesiferol C의 표적 단백질에 대한 binding mode를 밝히기 위하여 docking study를 수행하였다. Binding mode analysis를 통하여 Farnesiferol C가 Src tyrosine kinase와 FAK의 ATP-binding site에 상당히 잘 결합할 수 있는 것으로 확인되었으며 이는 이 표적 단백질에서의 좋은 활성 효과와 일치하는 결과이다. 흥미로운 것은 Src tyrosine kinase와 FAK에서의 binding mode가 각각 상당한 차이를 보였다는 점이다. 이러한 binding mode의 차이점을 설명하기 위하여 두 표적 단백질의 active site에 대한 비교 연구를 수행하였다. Src tyrosine kinase는 ATP-binding site 근처에 특징적으로 깊은 hydrophobic pocket을 가지고 있었는데 이로 인하여 Farnesiferol C의 docked conformation이 Src tyrosine kinase와 FAK에서 상당한 차이를 보인다고 생각된다. Farnesiferol C는 Src tyrosine kinase의 hydrophobic pocket에 결합하는 것으로 예상되지만, FAK에서는 전체적인 binding conformation이 ATP의 그것과 유사한 형태를 보이고 이는 pocket의 공간적인 제약 때문인 것으로 보인다. 본 연구 결과와 biological data를 통하여 Farnesiferol C가 Src tyrosine kinase와 FAK에의 직접적인 결합을 통하여 항혈관형성작용을 가진다는 것을 알 수 있었으며 더 나아가 항암제로서의 가능성도 확인할 수 있었다. Part II. 3D-QSAR studies of heterocyclic quinones with inhibitory activity on vascular smooth muscle cell proliferation 맥관성 평활근 세포의 비정상적인 증식과 이동은 관상동맥의 죽상동맥경화증이나 혈관성형술 후의 재협착 등에 중요한 역할을 하는 인자로 알려져 있다. 이에 대한 억제제로서 6-arylamino-quinoxaline-5,8-diones와 6-arylamino-1H-benzo[d]imidazole-4,7-diones 등의 heterocyclic quinone 유도체들이 쥐의 대동맥 평활근 세포 (rat aortic smooth muscle cell; RAoSMC)의 증식을 감소시키는 효과가 있는 것으로 보고되었다. 본 연구에서는 맥관성 평활근 세포의 항증식 효과에 대하여 화학구조적으로 설명하고 더 활성이 있는 약물을 design하고자 3차원적인 정량적 구조-활성관계 (three-dimensional quantitative structure-activity relationship; 3D-QSAR)에 대한 연구를 진행하였다. 우선, 높은 활성을 가지고 있는 대표적인 화합물로부터 Genetic Algorithm with Linear Assignment of Hypermolecular Alignment of Database (GALAHAD)를 이용한 약리단 모델 (pharmacophore model)을 만들고 전체 화합물들의 구조를 선택된 모델에 align하였다. 그 후 Comparative Molecular Field Analysis (CoMFA) 및 Comparative Molecular Similarity Indices Analysis (CoMSIA)의 두 방법으로 3D-QSAR 연구를 수행하였다. Cross validation 결과 CoMFA (q² of 0.734 and r² of 0.947)와 CoMSIA (q² of 0.736 and r² of 0.913)를 통하여 신뢰성 있는 모델이 만들어졌음을 알 수 있었으며, heterocyclic quinone 유도체들의 RAoSMC에 대한 IC_(50) 값이 화합물의 3차원적 구조에 따라 생성된 field와 상관관계가 있음을 밝혔다.;Part I. Docking studies of Farnesiferol C onto Src tyrosine kinase and focal adhesion kinase Farnesiferol C is a compound isolated from Ferula assafoetida L. and has been used for cancer treatment as a folk remedy. However, its anti-tumor efficacy and mechanisms are not determined yet. It is suggested that Farnesiferol C possesses a strong anti-angiogenic potential through the inhibition of Src tyrosine kinase and focal adhesion kinase (FAK). Farnesiferol C decreased the binding interaction between VEGF and VEGFR-1 but not VEGFR-2. Also, it significantly inhibited VEGF-induced phosphorylation of p125^(FAK) and Src (pY416) in a concentration-dependent manner. To investigate the binding interactions of Farnesiferol C with these target proteins, the docking studies were performed in this study. It showed that Farnesiferol C could bind quite well into the ATP-binding sites of Src tyrosine kinase and FAK, consistent with its good activity on these target proteins. Interestingly, the binding modes of Farnesiferol C in Src tyrosine kinase and FAK were quite different. Thus, comparison of the active sites was carried out to explain the binding mode differences between them. Src tyrosine kinase contains the characteristic deep hydrophobic pocket near the ATP-binding site. That might explain the different binding modes of the docked Farnesiferol C in Src tyrosine kinase and FAK. In Src tyrosine kinase, Farnesiferol C seems to bind into the hydrophobic pocket. However, its overall binding conformation in FAK looks similar to that of ATP due to the spatial limitation of the pocket. Taken together with the biological data, these findings suggest that Farnesiferol C possesses strong anti-angiogenic potential via direct interaction with Src tyrosine kinase and FAK as a cancer chemopreventive or therapeutic agent. Part II. 3D-QSAR studies of heterocyclic quinones with inhibitory activity on vascular smooth muscle cell proliferation The abnormal proliferation and migration of vascular smooth muscle cells (SMCs) play an important role in the pathology of coronary artery atherosclerosis and restenosis following angioplasty. It was reported that some heterocyclic quinone derivatives such as 6-arylamino-quinoxaline-5,8-diones and 6-arylamino-1H-benzo[d]imidazole-4,7-diones have inhibitory activity on rat aortic smooth muscle cell (RAoSMC) proliferation. To understand the structural basis for antiproliferative activity to design more potent agents, three-dimensional quantitative structure?activity relationship (3D-QSAR) studies were performed. First, pharmacophore models of the representative molecules with high activities were generated using Genetic Algorithm with Linear Assignment of Hypermolecular Alignment of Database (GALAHAD) and a series of compounds were aligned to the selected pharmacophore model, then 3D-QSAR studies were performed using Comparative Molecular Field Analysis (CoMFA) and Comparative Molecular Similarity Indices Analysis (CoMSIA). Good cross-validated correlations were obtained with CoMFA (resulting in q² of 0.734 and r² of 0.947) and CoMSIA (resulting in q² of 0.736 and r² of 0.913). The IC_(50) values of the heterocyclic quinone derivatives on RAoSMC exhibited a strong correlation with steric and hydrophobic fields of the 3D structure of the molecules, resulting in the reliable prediction of inhibitory activity of the series of compounds.