Drug Discovery of durg for an increasingly large number of biological target proteins such as kinases, protein phosphatases and nuclear receptors requires creative and innovative approaches for identifying hit compounds and optimizing those to drug candidates. As a result of enormous technological progress in structural biology and computational chemistry, structure-based drug design has become an essential part in drug discovery and development process. A novel "-omics" concept of structural chemoproteomics is devised for use in drug discovery process. On the basis of structural chemoproteomics, the active sites of proteins from the same family were aligned and analyzed to address the commonalities and differences. The commonalities enabled to make scaffold structures in the structural chemoproteomic library and the differences enable to introduce functional group in the active scaffolds. This thesis describes applying the structural chemoproteomic libraries for kinase inhibitors and for PPAR agonists.
A hydroxy functional group was introduced as the hydrogen bond donor and acceptor at the hinge region of protein kinase in order to develop novel ATP-competitive kinase inhibitors. Several derivatives of 7-hydroxyl-1H-benzoimidazole were designed as inhibitors of protein kinase with the help of ab initio calculations and a docking study. Enzymatic assay and an X-ray complex study using glycogen synthase $kinase-3\beta$ showed that these designed compounds were highly potent ATP-competitive kinase inhibitors. To develop PPAR agonists, the active site was divided into three parts: head, tail and linker. The head part should have hydrogen bond acceptors like carboxylic acid in the lipid ligands, the tail part should be hydrophobic to interact with protein and the linker should make the head and tail parts arrange in an appropriate position. Several sulfamide derivatives were designed with the help of a docking study. Transactivation assay indicates that designed compounds have good agonistic activities for PPAR and the x-ray complex study shows that those compounds bind at the suggested site with the conformation close to one calculated.
본 연구의 목적은 구조 화학단백질체학을 이용하여 신약의 표적이 될 수 있는 여러 단백질군들에 대한 구조 화학단백질체학 라이브러리를 구축하고 신약선도물질 발굴을 고속화하는 것이다.
구조 화학단백질체학 라이브러리는 다음과 같은 단계로 구축되었다. 먼저 표적단백질군의 3차원 구조를 확보하여 활성부위 구조를 분석하여 공통으로 가지는 활성부위의 3차원 구조와 특징을 파악하였다. 다음으로 만들어진 단백질 활성부위의 구조의 공통점을 이용하여 각 단백질군의 활성부위를 인식할 수 있는 화학구조를 주로 가상 활성평가(Virtual screening)와 선별하였다. 마지막으로 선별된 화학구조를 이용하여 구입가능한 데이터베이스 검색을 통해 가능한 모든 화합물을 구입하였고 그렇지 못한 화합물은 직접 합성되기도 하였다. 그 결과 Kinase, Phosphates, PPAR, phophodiesterase (PDE), metalloenzyme, protease enonyl reductase family에 대한 구조 화학단백질체학 라이브러리가 구축되었고 한 모핵 당 2-30 개씩 1000-5000개 정도의 화합물을 포함하고 있다.
또한 본 논문에서는 구체적 예로써 Kinase와 PPAR의 구조 화학단백질체학 라이브러리 중 각 한 모핵에 대해 전체적인 설계 과정과 검증을 서술하였다.
Kinase 저해제를 개발하기 위해 Kinase 활성부위를 관찰하여 ATP가 결합하는 부분의 수소결합이 중요한 결합요소임을 알게되었다. 따라서 수소결합의 donor와 acceptor 기능을 동시에 할 수 있는 hydroxyl (OH) 작용기를 가지는 7-hydroxyl-1H-binzoimidazole 화합물을 양자화학과 분자역학 계산을 통해 설계하였고 GSK-3β 단백질에 대한 효소 활성평가와 X-ray 결정학을 통해 설계된 화합물이 높은 활성을 가지는 kinase 저해제임을 확인하였다.
PPAR 단백질의 활성부위를 살펴보면 크게 세부분으로 나뉘어진다. Head 부분은 4개의 수소결합이 필수적이고, tail 부분은 hydrophobic 결합을 유지해야 하며, linker 부분은 head와 tail 부분이 3차원 공간에 잘 배치될 수 있는 작용기가 되어야 한다. 이러한 특징을 이용하여 Sulfamonyl Amino Acetic Acid 작용기를 포함하는 화합물이 분자역학 계산을 통해 설계되었고 세포실험을 통해 설계된 화합물이 PPAR의 효능제임을 확인하였다. 또한 X-ray 결정학 연구를 통해 설계된 단백질의 예측된 3차원 결합구조가 실제 결합구조와 유사함을 확인하였다.
결론적으로 구조 화학단백질체학 연구와 구축된 단백질군 별 라이브러리는 선도물질을 발굴하는 단계에 적용되어 신약개발에 기여할 수 있음을 확인하였다.
