Molecular modeling studies of A2A adenosine receptor and TRPV1 modulators

Abstract

Part I. Molecular modeling studies of A2A adenosine receptor modulators 아데노신 수용체는 GPCR superfamily에 속하며 4개의 subtype (A1, A2A, A2B, A3)으로 이루어져 있으며, 그 중에서 A2A AR은 X-ray crystal 구조가 밝혀진 유일한 subtype이다. 최근 truncated N6-amino 또는 N6-halobenzyl C2- 및 C8-substituted 유도체들이 A2A AR 리간드로 설계되었다. 이 중에서 C2-substituted 유도체들은 A2A AR에서 좋은 결합력을 보였고, C2-hexanyl < hexenyl < hexynyl 순으로 결합력이 증가했다. 반면에, C8-substituted 유도체들은 C2-substituted 유도체들에 비해 A2A AR에서의 활성이 크게 감소하였다. 또한 N6-position의 bulky group은 리간드가 A2A AR에 강하게 결합하는 것을 저해했다. 이 시리즈의 구조-활성 상관관계를 설명하기 위해 hA2A AR의 X-ray crystal 구조를 이용하여 flexible 도킹 연구를 수행하였다. 결합력이 좋은 C2-substituted 유도체들은 결합자리를 잘 차지하며, Phe168과의 p-p 결합과 Gly169, Asn253, Ser277과의 수소결합을 통해 수용체와 강한 상호작용을 하였다. 하지만 C8-substituted 또는 N6-halobenzyl 유도체들은 결합자리 깊숙이 위치한 소수성 pocket의 공간적 제약 때문에 다양한 결합모드를 보이면서, 중요한 상호작용들을 유지하지 못했다. 이를 통해 N6-unsubstituted-C2-substituted 유도체가 다른 화합물들보다 훨씬 강한 결합력을 갖는 이유를 설명할 수 있다. 또한, C2-substituted 유도체들의 결합모드들도 서로 비교해 보았다. C2-substituted 유도체들의 adenine과 sugar ring의 결합모드는 서로 거의 일치했지만, C2-subsitutent의 결합모드는 상당한 차이를 보였다. C2-subsitutent의 flexibility가 증가할수록 결합력과 도킹점수는 감소했다. 뿐만 아니라, 결합력과 도킹점수는 좋은 상관관계(r2 = 0.86)를 보였다. 본 연구결과와 생물학적 활성 결과를 통하여 C2-substituent의 rigidity와 N6-position에 위치한 작용기의 크기가 리간드가 hA2A AR에 결합하는데 중요한 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었다. Part II. Molecular modeling studies of TRPV1 modulators Transient receptor potential vanilloid subtype 1 (TPRV1)은 transient receptor potential (TRP) superfamily에 속하는 비선택적 양이온 채널이다. TRPV1은 통증민감화에 관여하며, TRPV1 길항제는 통증완화를 위한 좋은 약물 후보로 알려져 있다. RTX는 TRPV1 효현제로 잘 알려져 있으며, 최근에 RTX 유도체들의 halogenation이 효현제를 길항제로 변화시킨다는 사실이 보고되었다. 이 화합물들의 구조-활성 상관관계를 설명하기 위해 conformational 연구를 수행하였고, rTRPV1 효현제와 halogenated 길항제를 구분할 수 있는 conformational 차이가 나타났다. 효현제에서는 A-region의 3-methoxy기가 free form으로 존재하며, 이 3-methoxy기가 rTRPV1과 상호작용을 함으로써 효현제 활성을 나타내는 것으로 생각된다. 그러나 길항제에서는 굽은 conformation을 보이며, A-region의 3-methoxy기와 diterpene의 OH기가 분자내 수소결합을 하고 있다. 이 conformation 차이가 rTRPV1 활성 차이를 야기하는 것으로 보인다. 또한, dibenzyl thiourea를 선도물질로 하는 diarylalkyl amide와 furan-linked amide 유도체들이 rTRPV1 길항제로 설계되었다. 이 화합물들의 flexible 도킹 연구 결과는 활성 데이터와 일치하였다. Amide 유도체는 결합모드가 좋지 않았지만, furan-linked amide는 선도물질인 thiourea와 마찬가지로 결합자리를 잘 차지하였다. 이 도킹 결과를 통하여 B-region의 rigidity가 C-region이 적절히 위치하여 결합자리와 소수성 작용을 하는데 기여한다는 것을 알 수 있었다. 뿐만 아니라, 4-methylsulfonamide 유도체들이 hTRPV1 길항제로 설계되었다. 이 유도체들에서는 C-region의 추가적인 소수성 작용기가 hTRPV1 활성을 크게 증가시켰다. 그 이유를 살펴보기 위해, hTRPV1 tetramer의 상동수용체 모델을 만들고, 이를 이용한 flexible 도킹 연구를 수행하였다. 도킹결과에서 4-methylsulfonamide 유도체들은 결합자리를 잘 차지하고, 수소결합 및 소수성 작용을 통해 결합자리와 강하게 상호작용하는 결합모드를 보였다. 또한, 추가적인 소수성 작용기는 결합자리의 Met514와 Leu515로 이루어진 소수성 부분과 추가적인 작용을 하였다. 이를 기반으로 C-region에 추가적인 소수성 작용기를 가지는 4-methylsulfonamide 유도체의 강한 활성을 설명할 수 있다.;Part I. Molecular modeling studies of A2A adenosine receptor modulators Adenosine receptors (ARs), which belong to the GPCR family, consist of four subtypes, A1, A2A, A2B and A3 ARs. Among them, A2A AR is the only subtype whose X-ray crystal structures are available. Recently, the truncated N6-amino or N6-halobenzyl adenosine derivatives with C2 or C8 substitution were designed and synthesized as new potential A2A AR ligands. The biological study indicated that the C2-substituted derivatives showed good binding affinities in order of C2-hexynyl > hexenyl > hexanyl derivatives, while the C8-substituted derivatives displayed reduced A2A AR activities. In addition, the bulky groups at N6-position were detrimental to ligand binding at human A2A AR. To investigate the structure-activity relationships of these compounds, the flexible docking studies were performed using the hA2A AR X-ray crystal structure (3EML.pdb). The C2-substituted derivatives nicely occupied the binding site and made tight interactions via the p-p stacking interaction with Phe168 and hydrogen bonds with Glu169, Asn253 and Ser277. In contrast, the C8-substituted or N6-halobenzyl derivatives showed various binding modes and did not maintain some important interactions, probably due to the spatial restriction of the hydrophobic pocket inside the binding site. That might explain why the binding affinities of the N6-unsubstituted-C2-substituted derivatives were much better than other compounds. Furthermore, the binding modes of a series of the C2-substituted derivatives were compared. In this series of nucleosides, adenine and sugar moieties maintained almost exactly the same binding interactions, but the C2-substituents showed the different binding modes. The flexibility of the C2-substituents increased, the binding affinity and docking score decreased. Also, a good correlation (r2 = 0.86) between the binding affinities and docking scores was shown. Taken together, the appropriate size of the substituents at the N6 position and rigidity of the C2-substitutents appear to contribute to the ligand binding. Part II. Molecular modeling studies of TRPV1 modulators The transient receptor potential vanilloid subtype 1 (TRPV1), which belongs to the transient receptor potential (TRP) superfamily, is a ligand-gated non-selective cation channel. TRPV1 mediates pain sensitization, and its antagonists are known to be promising drug candidates for pain relief. RTX is a well-known TRPV1 agonist, and it is reported that the halogenations of the RTX analogues converted these agonists into antagonists. To investigate structure-activity relationships of these compounds, conformational study was performed, and the results revealed a conformational difference between the agonists and their halogenated antagonists. The 3-methoxy group of the A-region in the agonists remained free to interact with the receptor, whereas antagonists showed bent conformations, permitting the 3-methoxy to form an intramolecular hydrogen bond with the OH group of the diterpene. That could induce the activity differences of the tested compounds. In addition, my collaborator designed and synthesized the diarylalkyl amide and furan-linked amide derivatives as rat TRPV1 antagonists using the dibenzyl thiourea derivative as a lead compound. The flexible docking study of the tested compounds on the rTRPV1 model was performed, and the results were consistent with their activities. Although the binding mode of the amide was not good, the furan-linked amide as well as the thiourea fitted into the binding site well. Based on the docking result, the rigidity of B-region could contribute to the appropriate positioning of the C-region for the hydrophobic interactions. Furthermore, recently, the 4-methylsulfonamide derivatives were designed and synthesized as human TRPV1 antagonists. The additional bulky hydrophobic group in the C-region dramatically increased the hTRPV1 activity. To examine the binding interactions, I constructed the hTRPV1 tetramer homology model and conducted the flexible docking study. The tested compounds occupied the binding site very well and formed tight interactions via the hydrophobic and hydrogen bonding interactions with the binding site residues. Also, the additional hydrophobic group made another hydrophobic interaction with the hydrophobic region, composed of Met514 and Leu515. That might explain why the 4-methylsulfonamide derivative with an additional hydrophobic group showed much more potent activity.