Molecular modeling studies to investigate structure-activity relationships of TRPV1 modulators and identify species differences of 11β-HSD1

Abstract

Part I. Molecular modeling studies of TRPV1 modulators for drug discovery of neuropathic pain Transient receptor potential vanilloid subtype 1 is a ligand-gated nonselective cation channel composed of four subunits with six transmembrane segments. TRPV1 mediates pain sensitization, and it is an important therapeutic target for pain relief. The conformational analyses of the RTX, I-RTX, and the carbonate analogue of 5′-halogenated RTX were performed to explain structure-activity relationships of these compounds. I-RTX and I-RTX-carbonate showed bent conformations with intramolecular hydrogen bonding, but RTX did not show any intramolecular hydrogen bond in their lowest energy conformations. These results showed the biological difference between the agonist (RTX) and their halogenated antagonists (I-RTX and I-RTX-carbonate). In addition, flexible docking studies of simplified RTX isomers were performed. The docking analysis of the chiral isomers of 4 suggested the basis for its stereospecific activity; 4R fitted well to the binding site but 4S was flipped over. Furthermore, flexible docking studies of 2- (3-fluoro-4-methylsulfonylaminophenyl)propamide derivatives using hTRPV1 homology model were performed,. Among them, 6-9 had an additional bulky group in the C-region and showed potent antagonism, compared to the lead compound 5. It seems that the additional hydrophobic interactions between 6-9 and hTRPV1 allowed binding strongly, thereby increasing the biological activities of these compounds. Part II. Structural analysis of 11β-HSD1 and docking studies of its inhibitors to elucidate the species difference 11β-Hydroxysteroid dehydrogenase type 1 (11β-HSD1) is important target for the treatment of type II diabetes and metabolic disorders such as obesity, hyperglycemia and hypertension. Till date, many selective inhibitors of 11β-HSD1 were reported, but species-specific difference of 11β-HSD1 is not characterized. Most of the 11β-HSD1 inhibitors show huge differences in biological activity among the various species. The aim of the study is to obtain the species selective ligands using the computational methods. I combined the approach of ensemble docking and induced-fit docking (IFD) methods to dock selective ligands into the multiple crystal structures of human and mouse 11β-HSD1. The top ranked poses of protein-ligand complex were obtained from ensemble docking and subjected to IFD. The 4 human and 2 mouse 11β-HSD1 crystal structures allow us to distinguish the human and mouse selective inhibitors. The ROC curves of selected human and mouse crystal structures show high selectivity to the respective inhibitors. The proposed method can be utilized for other drug targets to determine species specific inhibitors.;Part I. Molecular modeling studies of TRPV1 modulators for drug discovery of neuropathic pain Transient receptor potential vanilloid sybtype 1(TRPV1)은 비선택적 리간드 관문 양이온통로이며 6개의 transmembrane segments(TMs)을 가진 4개의 단량체(monomer)로 이루어져 있다. TRPV1은 통증 민감화에 관여하며 통증 완화에 대한 중요한 치료 표적이다. 본 연구에서는 RTX, I-RTX, I-RTX-carbonate 간의 구조-활성 상관관계를 설명하기 위해 conformation 분석 연구를 수행하였다. 길항제인 I-RTX와 I-RTX-carbonate는 분자 내 수소결합으로 인해 구부러진 conformation을 형성하고 있었으나 효현제인 RTX는 분자 내 수소결합을 가지고 있지 않았다. 이 결과를 통해 화합물들 간의 생물학적 활성 차이를 설명할 수 있었다. 또한, 단순화된 RTX 유도체이며 서로 입체이성질체 관계인 4R과 4S의 생물학적 활성 차이를 설명하기 위해 상동수용체 모델을 이용한 도킹연구를 수행한 결과, 활성이 좋은 4R의 경우 TRPV1의 결합자리를 잘 차지하였으나 활성이 나쁜 4S는 뒤집힌 형태로 결합모드가 좋지 않았다. 본 연구에서는 TRPV1 조절제로 설계되어 합성된 2-(3-fluoro-4-methylsulfonyl aminophenyl)propanamide 유도체들에 대한 실험도 수행되었다. 도킹 실험 결과, 선도 물질인 5와 달리 6-9는 C-부분에 소수성 작용기를 하나 더 가지고 있어서 결합자리와 추가로 결합을 형성하고 화합물이 결합자리를 잘 차지할 수 있었다. 이 결과를 토대로 2-(3-fluoro-4-methylsulfonyl aminophenyl)propanamide 유도체들의 구조-활성 상관관계를 설명할 수 있었다. Part II. Structural analysis of 11β-HSD1 and docking studies of its inhibitors to elucidate the species difference 11β-Hydroxysteroid dehydrogenase type 1(11β-HSD1)은 제2형 당뇨병 치료제 개발의 표적 단백질이다. 현재까지 여러 11β-HSD1 저해제가 개발 중이고 다양한 구조의 화합물들이 발굴되었지만 인간과 동물 사이의 종차(species difference) 문제가 효과적인 약물 개발에 걸림돌로 작용하고 있다. 특히, 수많은 약물들이 동물에서는 유효했으나 사람에서는 약효가 없어 임상 단계에서 탈락되곤 하기 때문에, 화합물 발굴 시 종차 문제를 감안하여 설계하는 것은 전체 신약개발 단계에서 효율성 및 경제성을 뒷받침해주는 필수적인 과정이라 할 수 있다. 본 연구에서는 11β-HSD1의 종차 문제에 대한 접근을 위하여 human과 mouse 11β-HSD1에 대한 구조기반 분자모델링 연구를 수행하였다. 우선, Ensemble 도킹 방법을 이용하여 종특이성을 가진 저해제를 human과 mouse의 X-선 결정 구조에 각각 도킹하였고, 이를 통해 만들어진 단백질-리간드 complex 중 순위가 높은 것을 골라 induced-fit 도킹에 사용하였다. Induced-fit 도킹 후에 종 특이성을 가진 저해제를 잘 구별할 수 있는 4개의 human 11β-HSD1 구조와 2개의 mouse 11β-HSD1 구조가 선별되었다. 또한, 선택된 human과 mouse 11β-HSD1 구조를 이용하여 ROC 곡선을 각각 나타내어 두 경우 모두 좋은 selectivity값을 가짐을 확인하였다. 따라서, 본 연구를 통해 선택된 human과 mouse 11β-HSD1 multiple crystal structure가 종 특이성을 가진 저해제를 잘 구별하는 능력을 가지고 있다는 것을 알 수 있었다.