Topomer search and 3D-QSAR studies of UCH-L1 inhibitors

Abstract

Ubiquitin C-terminal hydrolase-L1(UCH-L1)은 ubiquitin C-terminal의 에스테르와 아마이드의 가수분해를 촉진하는 deubiquitinating 효소 중 하나이다. 뇌에 존재하는 단백질의 약 1-2%를 차지하고 있으며, 일반적으로 뉴런과 정소에서 발견할 수 있다. 그러나 원발성 폐암에서는 과발현되는 것으로 알려져 있으며, 파킨슨병과 같은 퇴행성 신경질환과도 연관되어 있는 것으로 보인다. UCH-L1의 새로운 저해제 개발을 위해 Topomer search 기술을 사용하여 25000개의 화합물 라이브러리에서 가상 스크리닝을 수행하였다. Topomer search 기술은 topomer field와 pharmocophoric property를 이용하여 분자 구조를 비교하는 기술로서 현재 UCH-L1 저해제로 알려져 있는 isatin 유도체와 3-amino-2-keto-7H-thieno[2,3-b]pyridin-6-one 유도체 중에서 선택된 높은 활성값을 갖는 두 개의 query를 사용한 결과 총 877개(각각 749개와 128개)의 hit을 얻을 수 있었다. Topomer search를 사용한 가상 스크리닝과 함께 UCH-L1 저해제로 알려진 isatin 유도체 시리즈를 이용하여 UCH-L1 저해효과에 중요한 구조를 알아보고 구조와 저해효과 간의 상관관계를 밝히기 위한 3차원적인 정량적 구조-활성관계(three-dimensional quantitative structure-activity relationship; 3D-QSAR)에 관한 연구를 수행하였다. 이 연구에는 Comparative Molecular Field Analysis(CoMFA)와 Comparative Molecular Similarity Indices Analysis(CoMSIA) 프로그램을 이용하였고, 좋은 3D-QSAR 모델을 만들기 위하여 분자구조간의 공통구조에 따라 화합물을 분류하는 hierarchical clustering tool인 Distill을 사용하여 분자구조를 적절하게 align하였다. 그 결과 CoMFA(q² = 0.564 와 r² = q²와 CoMSIA(q² = 0.523 와 r² = 0.942) 연구에서 적절한 cross-validation correlation 값을 얻을 수 있었고, 이를 바탕으로 적절한 test set의 활성 값과 contour map을 예측할 수 있었다. 이 연구를 통하여 신뢰성 있는 모델이 수립되었으며, isatin 유도체의 UCH-L1의 저해효과와 그 구조 사이에 상관관계가 있다는 결론을 얻을 수 있었다.;Ubiquitin C-terminal hydrolase-L1 (UCH-L1) is one of the deubiquitinating enzymes (DUBs) and it catalyzes the hydrolysis of C-terminal esters and amides of ubiquitin. UCH-L1 constitutes 1-2% brain proteins and is normally expressed in neurons and testis, however, it is overexpressed in many primary lung tumors and appears to be related to neurodegenerative diseases like Parkinson's disease. In order to find new inhibitors of UCH-L1, virtual screening was performed in our in-house chemical library of 25,000 compounds using a novel Topomer search technology which compares molecules using topomer fields and pharmocophoric properties. Two series of UCH-L1 inhibitors, the isatin derivatives and the 3-amino-2-keto-7H-thieno[2,3-b]pyridin-6-one derivatives were currently reported. From each series, one of the representative and active compound was selected as query for Topomer search. The 877 compounds of Topomer search hits from queries 1 and 2 were obtained (749 hits from query 1 and 128 hits from query 2). In addition, three-dimensional quantitative structure-activity relationship (3D-QSAR) studies were performed with the isatin series of the UCH-L1 inhibitors. Comparative Molecular Field Analysis (CoMFA) and Comparative Molecular Similarity Indices Analysis (CoMSIA) were studied to uncover correlations between the structure and inhibitory activity. To align the molecules, the hierarchical clustering tool Distill, which classifies compounds according to their common structures, was used. The cross-validated correlations were obtained with CoMFA and CoMSIA, resulting in q² of 0.564 and 0.523, and r² of 0.884 and 0.942. Also, a reliable prediction of test set activities and optimal contour maps were obtained. Through this study, reliable models were generated and it might confirm the correlations between UCH-L1 inhibitory activity of isatin derivatives and its structure.