Nem peptid jellegű immuno-proteaszóma inhibitorok azonosítása fragmens alapú gyógyszerkutatási módszerekkel
Title in English
Identification of non-peptidic immunoproteasome inhibitors using fragment based drug discovery technics
Keywords in Hungarian
immuno-proteaszóma, framens alapú gyógyszerkutatás
Keywords in English
immunoproteasome, fragment based drug discovery
Discipline
Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences)
85 %
Ortelius classification: Pharmaceutical chemistry
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
10 %
Ortelius classification: Enzimology
Experimental pharmacology, drug discovery and design (Council of Medical and Biological Sciences)
5 %
Panel
Natural Sciences Committee Chairs
Department or equivalent
Institute of Organic Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants
Bajusz, Dávid Egyed, Attila Kelemen, Ádám Andor Kiss, Dóra Judit Kovács, Péter Mihalovits, Levente Márk Németh, András György Németh, Tamás Pándy-Szekeres, Gáspár Petri, László Szűcs, Edina
Starting date
2017-09-01
Closing date
2021-08-31
Funding (in million HUF)
35.988
FTE (full time equivalent)
22.75
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A proteaszóma egy intracelluláris hidroláz, amely a fehérjék széles körének lebontása révén kritikus szerepet játszik a sejt ciklus szabályozásában, gyulladásos folyamatokban, jelátvitelben és más biológiai folyamatokban. Amíg a konstitutív izoforma (cCP) valamennyi eukarióta sejtben kifejeződik, addig az immuno-proteaszóma izoforma (iCP) elsősorban az immunrendszerhez köthető sejtekben van jelen. Az immuno-proteaszóma szelektív gátlása jótékony hatású autoimmun és gyulladásos betegségek gyógyításban. Célunk a humán beta5i alegységen ható egyrészt nem kovalens, másrészt kovalens nem-peptid jellegű szelektív inhibitorok azonosítása. Mind a nem-kovalens, mind a kovalens inhibitorok keresésénél saját fragmens vegyülettárunk szűrésével kívánunk kémiai kiindulópontot találni. Nem kovalens inhibitorok esetén a már rendelkezésünkre álló vegyülettár szűrése jelenti a kiindulópontot és a találatokat gyógyszerszerű tulajdonságokkal rendelkező inhibitorokká kívánjuk fejleszteni. Kovalens inhibitorok esetén a katalitikus treoninnel, valamint a nem katalitikus ciszteinnel szelektíven reagálni képes fragmens vegyülettárat kívánunk összeállítani. Ezek szűrése, majd a találatok gyógyszerszerű kovalens inhibitorokká fejlesztése a célunk. Kovalens inhibitor fejlesztésének másik tervezett módja, hogy nem kovalens inhibitorhoz reaktív fejcsoportot kapcsolunk. A szűréssel azonosított találatok fejlesztése során a fehérje atomi felbontású szerkezetét használó molekulamodellezési módszereket, valamint izolált enzimen, sejt lizátumokon és teljes sejten végzett in vitro kísérletek széles skáláját kívánjuk alkalmazni.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A proteaszóma inhibitorok túlnyomó többsége peptid típusú vegyület, amelyek terápiás alkalmazásának korlátot jelent az alacsony metabolikus stabilitás és alacsony biohasznosulás. A farmakokinetikai tulajdonságok javítására elengedhetetlen új, nem peptid jellegű immunoproteaszóma (iCP) inhibitorok fejlesztése. Ezért kutatásunk megoldandó alapfeladata az iCP nem peptid jellegű inhibitorainak azonosítása fragmens alapú megközelítés alkalmazásával. A fragmens alapú megközelítés számos akadémiai és ipari gyógyszerkutatási programban bizonyította hatékonyságát, de nem alkalmazták eddig iCP inhibitorok felfedezésében. Szelektív inhibitort kívánunk találni, amely gátolja az immuno-proteaszóma beta5i alegységét, de nem gátolja az immuno-proteaszóma további alegységeit és a konstitutív proteaszómát. Ez feltétlenül szükséges a sejt toxicitás elkerüléséhez és ilyen módon a tartós terápiás alkalmazáshoz. A szelektivitás elérésére, a farmakokinetikai problémák csökkentésére és a tartós hatás biztosítására kovalens inhibitort is keresünk. Kovalens fragmens könyvtárat kívánunk építeni, amelynek vegyületei alkalmasan választott reaktivitásuk és aminosav szelektivitásuk révén hatékony kémiai kiindulópont azonosítást biztosítanak célzott kovalens inhibitorok fejlesztéséhez. A javasolt újszerű megközelítés és a fragmens alapú gyógyszerkutatás bizonyított eredményessége adja a projekt tudományos jelentőségét és számottevő esélyt a sikeres megvalósításhoz.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A kutatatási program sikeres megvalósítása új típusú immuno-proteaszóma inhibitorok felfedezéséhez vezet, és a terápiás alkalmazás irányába mutat. A potenciális terápiás előny mellett az alkalmazott módszerek és fejlesztéseik szélesebb körben hasznosítható tapasztalatokat és eljárásokat eredményeznek. A kutatási program több korszerű elemet ötvöz, így a fragmens megközelítés és a kovalens inhibitor keresése elősegítik, hogy az immuno-proteaszóma területen gyakori peptid típusú inhibitorokkal szemben gyógyszerszerű tulajdonságokkal rendelkező inhibitort fejlesszünk. Az eljárásunk hatékonyságához hozzájárulnak a fehérje atomi felbontású szerkezetének ismeretét kihasználó molekulamodellezés, valamint a rendelkezésre álló biokémiai vizsgálati módszerek széles skálája. A kovalens fragmens vegyülettár újszerű felépítése megfelelő reaktivitású és szelektivitású vegyületek összeállítását biztosítja, amelyek a korábbinál hatékonyabb szűrést tesznek lehetővé. Az eljárás más aminosavakkal reagáló vegyülettárak összeállítására is alkalmazható, így várhatóan tetszőleges célzott kovalens fragmens vegyülettár állítható elő.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Az immuno-proteaszóma (iCP) egy fehérje komplex, amely fehérjék lebontásában vesz részt és alapvető szerepet játszik biológiai folyamatokban, többek között a sejt ciklus szabályozásában, a jelátvitelben és gyulladásos folyamatokban. Ugyanakkor az iCP túlműködése számos betegség forrása és bizonyítottan szerepe játszik onkológiai, autoimmun és gyulladásos megbetegedésekben. A budapesti és ljubljanai kutatócsoportok célja az iCP működését szelektíven gátolni képes vegyületek azonosítása. A szelektív gátlószerek megtalálása révén olyan csökkentett mellékhatású gyógyszerek fejlesztéséhez járulunk hozzá, amelyek alkalmasak onkológiai, autoimmun és gyulladásos megbetegedések kezelésére. A kutatás korszerű módszerei és azok fejlesztései más gyógyszerkutatási projektekben is hasznosíthatók. A projekt a résztvevő kutatócsoportok egymást kiegészítő szaktudására épít. A budapesti kutatócsoport a molekulamodellezés, a szintetikus szerves kémia és a vegyülettár összeállítás, a ljubljanai csoport pedig a gyógyszerkutatásban alkalmazott biokémiai és biológiai tesztek terén rendelkezik nemzetközileg is számon tartott tapasztalattal. Mindkét csoport rész fog venni a projekt legnagyobb kihívását jelentő gyógyszerkémiai optimálásban, amely magába foglalja a vegyületek szerkezet-hatás összefüggésének megértését és a kívánt biokémiai hatású, gyógyszerszerű tulajdonságokkal rendelkező vegyületek előállítását.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The proteasome is an intracellular hydrolase that degrades many proteins and has critical functions in biological processes, such as cell cycle control, apoptosis, inflammation and signal transduction. Dysregulation of the proteasomes is known to lead to the development of diverse diseases. Selective inhibition of the immunomodulatory isoform, the immunoprotesome (iCP), shows great potential as a novel approach for the treatment of a wide range of inflammatory and autoimmune disorders. Our objective is to use a fragment based approach to identify non-peptidic compounds of non-covalent and covalent nature that will selectively inhibit the beta5i subunit of the iCP. In both cases, the screening of our in-house fragment libraries will be used to identify the chemical starting points. The non-covalent library is already prepared and the hits identified will be developed into non-covalent inhibitors by structure-based optimization supported by molecular modelling tools and the crystal structures of the iCP. We will obtain covalent inhibitors by attaching electrophiles to these non-covalent scaffolds. A second approach to acquire covalent inhibitors will commence by compiling the covalent fragment libraries against the catalytic threonine and the non-catalytic cysteine, followed by evaluating their ability to inhibit the beta5i subunit of the iCP. The identified covalent fragments will be developed into drug-like compounds by growing the molecule from the electrophile. All medicinal chemistry approaches will benefit from the established platform consisting of assays on isolated proteasomes, lysates of appropriate cells, and on intact cells relevant for iCP-related diseases.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The majority of proteasome inhibitors encompass peptide-like compounds that are prone to poor metabolic stability and low bioavailability. In order to improve these pharmacokinetic properties it is imperative to develop novel iCP inhibitors that possess non-peptidic molecular architecure. The principal research question that we therefore address is: Is it possible to develop non-peptidic inhibitors of the iCP using a fragment based approach? This approach has proven as successful in various academic and industrial drug discovery projects, but has never been utilized to discover inhibitors of the iCP. We plan to identify non-peptidic inhibitors that inhibit the beta5i subunit of the iCP but do not inhibit other subunits of the iCP and the constitutive proteasome (cCP). The selective inhibition is a prerequisite to avoid cell toxicity and enables the chronic use in indications, such as autoimmune and inflammatory diseases. Another objective is to design covalent inhibitors in order to facilitate the optimization of properties like high selectivity and long duration of action that can lead to minimal systemic drug exposure that additionally reduces the possibilities of unwanted pharmacokinetic issues. We will compile covalent fragment libraries in a novel way. The planned libraries include a wide range of chemistry, designed reactivity and selectivity and thus represent efficient tools to identify chemical starting points for targeted covalent inhibitors. This innovative approach coupled with the historic success of the fragment based drug discovery demonstrates the scientific significance of the proposed Project and contributes to the potential for a successful outcome.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The successful completion of our proposal will result in novel inhibitors of the iCP and can contribute to the development of therapeutically useful compounds. Besides the potential therapeutic benefit, the applied methods and their development will lead to practices and processes that can be utilized in other drug discovery projects. The proposal combines several state-of-the-art approaches. The search for covalent inhibitors starting from fragment-sized binders facilitates the identification of non-peptidic compounds in contrast to the more common peptide-like inhibitors of the proteasomes. Molecular modelling using the available crystal structures of the iCP together with the wide range of biochemical tests will support the efficiency of the research. The novel method for compiling covalent fragment libraries will result in a collection of compounds with designed reactivity and selectivity that promotes the efficient identification of chemical starting points. The design principles of the covalent fragment library can be applied to libraries targeting other amino acids.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The immunoproteasome (iCP) is a protein complex that degrades a wide range of proteins and has critical functions in many biological processes including cell cycle control, apoptosis, inflammation, and signal transduction. However, in cases when the iCP is over-expressed and when it is too active, it can cause a variety of diseases. In the proposed research Project, groups from Budapest and Ljubljana will join forces to identify compounds that selectively inhibit the iCP. Finding selective inhibitors will contribute to the development of drug candidates with reduced side-effects that are beneficial in the treatment of malignant, autoimmune, and inflammatory diseases. The state-of-the-art methods applied and developed in the proposed Project will be useful in other drug discovery programs. The unique strength of this proposal is in the complementary expertise within the partner groups. While the group from Hungary has top expertise in molecular modeling, synthetic organic chemistry, and construction of libraries of fragments, the group from Slovenia has expertise in hit-to-lead development, biochemical evaluation of active compounds and biological assays on cell lysates and on intact cells. In addition, both groups have expertise in medicinal chemistry. However, as medicinal chemistry (structure-activity relationships study and optimization of covalent and non-covalent inhibitors) is the most time consuming task in this project, both groups will be devoted to it. Another advantage of this proposal is the fact that the collaboration has already been initiated and that the initial results have already been obtained.
Final report
Results in Hungarian
Az immunoproteaszóma (iPS) 5i alegységét gátló kovalens és nem kovalens inhibitorokat kerestünk fragmens-alapú megközelítéssel. Célunk olyan szelektív, nem peptid típusú inhibitorok azonosítása volt, amelyek alkalmasak terápiás célú, redukált mellékhatású, és előnyös farmakokinetikai profillal rendelkező vegyületek fejlesztésére. Csoportunkban fejlesztett kovalens és nem kovalens fragmenseket tartalmazó vegyülettárakat vizsgáltunk kísérleti és számítógépes szűréssel, amelyekkel több találatot azonosítottunk. Vegyülettár bővítés és katalógus alapú SAR megközelítés vezetett három rokon vegyületcsaládhoz, benzoxazol-2-tion, benzimidazol-2-tion és benztiazol-2-tionhoz, amelyeket tovább optimáltunk. Klór-szken alapján azonosítottuk a kémiai módosítás előnyös irányait, és több tíz vegyületet vásároltunk és szintetizáltunk az SAR feltérképezésére. Az inhibíció mechanizmusát biokémiai tesztekkel és biofizikai módszerekkel vizsgáltuk. Kísérleti és számítógépes eljárásokat fejlesztettünk a vegyületek karakterizálására, amely eljárások általánosan alkalmazhatók kovalens inhibitorok kutatásában. A reaktív tion csoportot más elektrofil ágensekre cseréltük, és az így azonosított karbonitril származékok előnyösnek bizonyultak mind az aktivitást mind a szelektivitást tekintve. Ezek az inhibitorok alkalmasak további vizsgálatokra, és 5i szelektív próbavegyületek kifejlesztésére az iPS-hez köthető nem onkológiai indikációkban. Eredményeinket 11 közleményben foglaltuk össze.
Results in English
We followed a fragment-based approach to identify non-covalent and covalent inhibitors of the chymotrypsin-like 5i subunit of the immunoproteasome (iPS). Our objective was to find selective, non-peptidic inhibitors with the potential to develop them into therapeutic agents with reduced side-effects and improved pharmacokinetic properties. Chemical starting points were sought with experimental screening of in-house covalent and non-covalent fragment collections and with virtual screening of commercial compound collections. Several hits were identified. Library expansion and SAR by catalogue approaches led to benzoxazole-2-thione, benzimidazole-2-thione and benzothiazole-2-thione scaffolds that were subjected to optimization. Chloro-scan was used to identify growing vectors and several tens of compounds were either purchased or synthesized to build SAR. The mechanism of inhibition was studied by various biochemical assays and biophysical methods. Experimental and computational method developments supported compound characterization and the developed methods may find general use in covalent inhibitor design. The thione warhead was replaced by other electrophiles and carbonitriles derivatives were found to be beneficial in terms of inhibitory activity and selectivity. These inhibitors are suitable for further investigation and the development of 5i-selective probes for non-cancer indications related to the iPS. Our results are summarized in 11 publications.
Andrea Scarpino, Dávid Bajusz, Matic Proj, Martina Gobec, Izidor Sosič, Stanislav Gobec, György G. Ferenczy, György M. Keserű: Discovery of Immunoproteasome Inhibitors Using Large-Scale Covalent Virtual Screening, Molecules, 2019, 24 (14), 2590., 2019
Mihalovits LM, Ferenczy GG, Keserű GM: . Catalytic Mechanism and Covalent Inhibition of UDP-N-Acetylglucosamine Enolpyruvyl Transferase (MurA): Implications to the Design of Novel Antibacterials., J Chem Inf Model., 2019
Andrea Scarpino, György G. Ferenczy, György M. Keserű: Covalent docking in drug discovery: scope and limitations., Curr. Pharm. Design, 2020
László Petri; Péter Ábrányi-Balogh; Tímea Imre; Gyula Pálfy; András Perczel; Damijan Knez; Martina Hrast; Martina Gobec; Izidor Sosič; Kinga Nyíri; Beáta G. Vértessy; Niklas Jänsch; Charlotte Desczyk; Franz-Josef Meyer-Almes; Iza Ogris; Simona Golič Grdadolnik; Luca Giacinto Iacovino; Claudia Binda; György M. Keserű , Stanislav Gobec: Assessment of Tractable Cysteines for Covalent Targeting by Screening Covalent Fragments, ChemBioChem, 2020
László Petri; Péter Ábrányi-Balogh; Tímea Imre; Gyula Pálfy; András Perczel; Damijan Knez; Martina Hrast; Martina Gobec; Izidor Sosič; Kinga Nyíri; Beáta G. Vértessy; Niklas Jänsch; Charlotte Desczyk; Franz-Josef Meyer-Almes; Iza Ogris; Simona Golič Grdadolnik; Luca Giacinto Iacovino; Claudia Binda; György M. Keserű , Stanislav Gobec: Assessment of Tractable Cysteines for Covalent Targeting by Screening Covalent Fragments, ChemBioChem, 2020
Hamilton, D.J.; Ábrányi-Balogh, P.; Keeley, A.; Petri, L.; Hrast, M.; Imre, T.; Wijtmans, M.; Gobec, S.; Esch, I.J.P.d.; Keserű, G.M.: Bromo-Cyclobutenaminones as New Covalent UDP-N-Acetylglucosamine Enolpyruvyl Transferase (MurA) Inhibitors, Pharm, 2020
L. Petri, P. Ábrányi-Balogh, P. R. Varga, T. Imre, and G. M. Keserű: Comparative reactivity analysis of small-molecule thiol surrogates, Bioorg. Med. Chem., 2020
Kollár, Levente ; Ferenczy, György Gábor ; Proj, Matic ; Gobec, Martina ; Gobec, Stanislav ; Sosič, Izidor ; Keserű, György: Virtual Screening and Biochemical Testing of Borocycles as Immunoproteasome Inhibitors, Period. Polytech. Chem. Eng., 2021
Kollár, Levente ; Gobec, Martina ; Szilágyi, Bence ; Proj, Matic ; Knez, Damijan ; Ábrányi-Balogh, Péter ; Petri, László ; Imre, Tímea ; Bajusz, Dávid ; Ferenczy, György G. et al.: Discovery of selective fragment-sized immunoproteasome inhibitors, Eur. J. Med. Chem., 2021
Levente Kollár, Martina Gobec, Matic Proj, Lara Smrdel, Damijan Knez, György G. Ferenczy, Stanislav Gobec, Izidor Sosič, György M. Keserű: Substituent scans identified benzoxazole-2-carbonitriles as potent fragment starting points against immunoproteasome, Cells, 10(12), 3431, 2021
A. Scarpino, G. G. Ferenczy, and G. M. Keserű: Binding Mode Prediction and Virtual Screening Applications by Covalent Docking, Methods Mol. Biol, 2021
Levente Mihalovits, György G. Ferenczy, György M. Keserű: Mechanistic and thermodynamic characterization of oxathiazolones as potent and selective covalent immunoproteasome inhibitors, Comput. Struct. Biotechnol. J., 2021
