Induced-fit docking studies of phosphatidylinositide 3-kinase inhibitors and virtual screening of cell translocating kinase A inhibitors

Abstract

Part I. Molecular docking studies of the selective phosphatidylinositide 3-kinase inhibitors Phosphatidylinositide 3-kinases (PI3Ks) are a family of lipid kinases that catalyzes phosphorylation of the 3-hydroxyl position of phosphatidylinositides. As second messengers, the lipid products play a pivotal role in the cellular signaling network of several essential biological processes including oncogenesis. Thus, PI3K is considered as a promising target for anti-cancer therapy. Recently, a series of imidazo[1,2-α]pyridine derivatives were synthesized. The C8-unsubstituted imidazopyridine compound (i.e., HSW104) showed inhibitory activities on PI3Ks along with CDKs with high potency. Surprisingly, the substitution of the C8 hydrogen of the imidazopyridine ring with fluorine resulted in the selective inhibition of PI3Ks over CDKs. The chloro- and methyl-substituted compounds also maintained the good inhibition on PI3Ks and low activity on CDKs. This significant activity difference of the tested compounds even with the slight structural modifications might be due to their unique binding at the kinases. To explain these results, the flexible molecular docking studies were performed with the available X-ray crystal structures of the tested kinases. The C8-unsubstituted compound turned out to bind very well at the ATP binding sites of PI3Kα, PI3Kγ,and CDK2, consistent with its good biological activity. In contrast, the C8-substituted compounds could not bind well to CDK2 even though they could nicely bind to the PI3Ks. The PI3Kα and PI3Kγ could well tolerate the C8-substituents, however, in case of CDK2, the binding site of the C8-hydrogen atom appeared to have spatial limitation which could only accommodate the size of H atom but not enough for fluorine or bigger substituents. Furthermore, it appeared that the C8-hydrogen is directly facing the carbonyl oxygen of Glu81, whose lone pair electrons might also contribute to reduce the binding affinities of halogen-containing compounds by electrostatic repulsion. Consequently, the C8-substituted compound would bump into the binding pocket due to the net effects of the steric and electrostatic factors. These results could be utilized for the further design of the selective inhibitors of PI3K. Part II. Structure-based virtual screening of cell translocating kinase A inhibitors Cell translocating kinase A (CtkA) is a newly discovered enzyme from Helicobacter pylori, and its crystal structure was recently resolved. It is a unique eukaryotic-type Ser/Thr kinase that translocates into human cells and up-regulates the NF-κB activity. CtkA is proposed as one of the factors of inflammation and subsequent pathogenesis caused by H. pylori. In order to discover novel small molecule inhibitors of CtkA, virtual screening was performed. About 84,000 compounds were obtained from the eight kinase-focused chemical libraries and screened in a multi-step manner using the X-ray crystal structure. Docking studies were carried out in three steps with the high-throughput virtual screening (HTVS), standard precision (SP), and extra precision (XP) modes. To select the most promising and unique scaffolds of the highly-scored molecules, cheminformatics approaches using Distill and Scaffold Hunter were also applied between the SP and XP docking steps. With the selected molecules, the protein-ligand complexes were energy-minimized, and the binding free energies were calculated using Prime MM-GBSA. Taken together the Glide XP scores, binding free energies, and visual inspection of the docking results, the final 25 compounds were selected for further biological evaluation and X-ray crystallography.;Part I. Molecular docking studies of the selective phosphatidylinositide 3-kinase inhibitors Phosphatidylinositide 3-kinases (PI3Ks)는 lipid kinase에 속하는 효소로서 phosphatidylinositides의 3번 위치에 있는 수산기를 인산화시킨다. PI3Ks는 다양한 생리학적 과정에 관여하는데, 특히 암 발생 및 세포 노화 작용과 연관된 세포 내 신호전달 체계에서 중요한 역할을 하기 때문에 암 치료제의 개발을 위한 타겟 단백질로 평가되고 있다. 최근에 PI3Ks에 억제효과를 보이는 imidazo[1,2-α]pyridine 유도체가 합성되었고, 이 중 imidazopyridine ring의 8번 위치가 치환되지 않은 화합물은 PI3Ks뿐만 아니라 cyclin-dependent kinases (CDKs)에도 높은 억제 활성을 보였다. 하지만 8번 위치의 H 원자를 F원자로 치환한 경우, PI3Ks만 선택적으로 억제하는 것이 확인되었다. 게다가, Cl원자나 methyl기로 치환된 화합물들도 PI3Ks에 대한 선택성을 보였고, 이는 유도체들의 kinases에 대한 독특한 결합 때문에 나타나는 것으로 생각되었다. 이러한 유도체들의 생물학적 활성 차이를 설명하기 위해, 본 연구에서는 활성이 측정된 kinases 중 X-ray 결정 구조가 밝혀진 kinases를 대상으로 flexible 도킹 연구를 수행하였다. 결합 모드 분석을 통하여 8번 위치에 치환기가 없는 화합물이 PI3Kα와 PI3Kγ, CDK2의 ATP 결합자리에 상당히 잘 결합할 수 있는 것이 확인되었으며, 이는 이 화합물의 좋은 활성과 일치하는 결과이다. 하지만 8번 위치가 치환된 화합물들은 CDK2에는 잘 결합하지 못하며, PI3Kα와 PI3Kγ에만 결합할 수 있는 것으로 확인되었다. PI3Kα와 PI3Kγ에서는 adenine 결합자리 주변에 치환기를 수용할 만한 작은 공간이 있기 때문에 8번 위치 치환기의 크기가 어느 정도 커지더라도 화합물이 결합할 수 있을 것으로 생각된다. 반면, CDK2에서는 8번 위치가 치환되지 않은 화합물의 경우, 8번 위치의 H 원자가 Glu81의 carbonyl oxygen과 마주보며 아주 가깝게 결합하고 있어, CDK2의 hinge region에는 F원자나 치환기의 크기 증가를 수용할 만한 공간이 없는 것을 확인할 수 있었다. 게다가, carbonyl oxygen의 비공유 전자쌍과 8번 위치의 F원자가 마주보고 있어 이들 사이에 전기적 반발력이 존재하여 halogen치환체가 결합할 수 없을 것으로 보인다. 즉, CDK2 hinge region의 공간적 제약과 Glu81 carbonyl oxygen의 전기적 반발력으로 인하여 8번 위치가 치환된 유도체들이 CDK2에서는 저해 활성을 나타내지 못한 것으로 생각된다. 본 연구 결과와 생물학적 활성 결과를 통하여 8번 위치가 치환된 imidazopyridine 유도체가 PI3Ks에 대해 선택적인 저해효과를 갖는다는 것을 확인하였다. 이 결과는 새로운 PI3K 선택적 저해제의 설계에 이용될 수 있을 것이다. Part II. Structure-based virtual screening of cell translocating kinase A inhibitors Cell translocating kinase A (CtkA)는 Helicobacter pylori에서 새롭게 밝혀진 효소로서 최근에 그 X-ray crystal 구조가 풀렸으며, 특이하게도 eukaryotic-type Ser/Thr kinase의 형태를 가지고 있다. CtkA는 인간 세포로 이동해 NF-κB의 활성을 상향 조절하기 때문에 H. pylori에 의한 염증 반응 및 그와 관련된 질병을 일으키는 한 가지 요소로 제안되고 있다. 본 연구에서는 새로운 CtkA 저해제를 밝히기 위해, 컴퓨터를 이용한 가상 탐색 실험을 수행하였다. 여덟 종류의 kinase-focused 화합물 은행으로부터 약 84,000개의 화합물을 얻었고, X-ray crystal 구조를 기반으로 여러 단계를 거쳐 적합한 화합물을 선별하였다. 구조 기반 가상 탐색 기법 중 분자 도킹이 적용되었고, high-throughput virtual screening (HTVS), standard precision (SP), extra precision (XP) 의 세 가지 방법을 이용하여 단계적으로 수행되었다. SP 도킹과 XP 도킹 사이에는 Distill과 Scaffold Hunter등 cheminformatics 접근법을 이용하여 높은 도킹 점수를 받은 화합물 중 가장 유망하고 고유한 scaffold의 화합물들을 선별하였다. 선택된 화합물들이 도킹된 단백질-리간드 복합체는 에너지적으로 안정화 되었으며, Prime MM-GBSA 모듈을 이용하여 각 화합물에 대한 결합 자유에너지를 계산하였다. 최종 화합물 선별 시에는 각 화합물의 XP 도킹 점수, 결합 자유에너지, 육안으로 관찰한 단백질 결합자리에서의 상호작용을 고려하였으며, 결과적으로 25개의 화합물이 선택되었다. 추후 이 화합물들에 대한 생물학적 활성 검사를 통해 hit 화합물을 도출하고, 해당 화합물이 결합된 CtkA의 X-ray 구조 결정을 계획하고 있다.