3D-QSAR 하이브리드 모델을 통한 단백질 인산화효소 저해제의 설계와 합성

Abstract

Protein kinase catalyzes a phosphorylation reaction that transfer phosphoryl group to a protein using ATP in the body. As a result of the phosphorylation reaction, a series of biochemical signal transduction occur in the body. This signaling regulates the function of cells and maintains homeostasis in the body. However, when the signal is amplified due to mutations in certain amino acids, it causes tumors due to unregulated proliferation of cells. In order to block the transduction of these pathological signals, studies have been conducted to treat the disease by administering inhibitors of specific kinase in the signal transduction pathway. In this study, the design and synthesis of inhibitors for JNK3, BRAF V600E, and PLK1, which are known as therapeutic targets were performed with computer modeling. JNK3 is emerging as a therapeutic target showing histological specificity in degenerative neurological diseases such as Alzheimer's Disease and Parkinson's Disease. In Alzheimer's disease, JNK3 is responsible for the phosphorylation of 130 APP, a critical step in the formation of Aβ. Therefore, it is reasonable to select JNK3 as a therapeutic target in the development of therapeutic agents for degenerative neurological diseases. In this study, computer modeling was performed to develop JNK3 inhibitors of new structures and Hybridized 3DQSAR Model. As a result, in the CoMFA model, q2 showed a value of 0.806 and r2 showed a value of 0.850. Based on the CoMFA model and the CoMSIA model, N- (thiophen-2-yl)-8H-pyrrazolo[1,5-a]pyrido[1,2-c]pyrimidine-10- carboxamide was obtained as novel scaffold JNK3 inhibitors. Aβ, along with tau protein, causes brain lesions that result in degenerative brain diseases. In this study, in order to support the result that Necrostatin-1 directly binds to Aβ and improves cognitive function in the Alzheimer's mouse model, a reasonable interaction between Aβ and Necrostatin-1 was presented by computer modeling. BRAF V600E is known to play a role in incurrence of melanoma in the pathway of mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling involved in tumor growth. Drugs such as Vemurafenib (Zelboraf®) and Dabrafenib (Tafinlar®) have been developed to inhibit BRAF V600E, but the MAPK signaling pathway, which has an alternative to the signaling pathway of BRAF V600E by CRAF(Paradoxical activation), is not completely blocked. Therefore, N-(3-alkyl/aryl-1H-pyrazol-5-yl)phenyl)-arylamide/urea derivatives were designed and synthesized for inhibition of both BRAF V600E and CRAF. Compound 7c showed excellent selectivity for BRAF V600E and CRAF and has potential as a breaker of paradoxical activation. PLK1 play an important role in cell cycle progression and proliferation of cancer cells. In addition, PLK1 contributes to anticancer drug resistance and is at the same time a therapeutic target of anti-tumor drugs. In order to develop a new PLK1 inhibitor, Hybrid 3D-QSAR model was obtained through computer modeling. Based on this model, 4-benzyloxy-1-(2-arylaminopyridin-4-yl)-1Hpyrazole-3-carboxamide derivatives were design and synthesize as a novel structure with verified the effect and selectivity for PLK1.|단백질 인산화효소(Protein Kinase)는 체내에서 ATP를 사용하여 기질인 단백질에 인산기를 결합시키는 인산화 반응(phosphorylation)을 촉매한다. 인산화 반응의 결과로 체내에서는 일련의 생화학적 신호 전달이 일어난다. 이러한 신호 전달은 세포들의 기능을 조절하며 체내의 항상성을 유지한다. 하지만, 특정 아미노산의 돌연변이 또는 유전자 과발현 등의 이유로 신호가 증폭되어 전달되는 경우, 세포의 조절되지 않은 분열로 종양 또는 질병을 유발하게 된다. 이러한 병리적인 신호의 전달을 차단하기 위해 신호 전달 경로에서 특정 인산화효소의 저해제를 투여하여 해당 질병을 치료하려는 연구들이 진행되었다. 본 연구에서는 해당 인산화 효소를 저해함으로써 병리기전을 막을 수 있는 것으로 알려진 Kinase들인 JNK3, BRAF V600E와 PLK1 대한 저해제의 설계, 합성을 컴퓨터 모델링과 연계하여 수행하였다. 또한, 컴퓨터 모델링을 통한 연구의 일환으로 Aβ와 Nec-1의 가능한 결합 방식을 제시하고자 하였다. JNK3(c-Jun N-terminal kinase 3)는 알츠하이머병(Alzheimer Disease)와 파킨슨병(Parkinson Disease) 등의 퇴행성신경질환에 있어서 조직학적 특이성을 나타내는 치료 타겟으로 부상하고 있다. 특히 알츠하이머병의 Aβ(Amyloid beta)의 응집에 의해 유발되는 것으로 알려져있으며, JNK3는 A의 형성에 결정적인 단계인 아밀로이드 전구체 단백질(Amyloid Precursor Protein, APP)의 인산화를 담당하는 인산화 효소이며 동시에 알츠하이머병의 바이오마커이다. 따라서 퇴행성신경질환의 치료제 개발에 있어 치료 타겟으로 JNK3를 선정하는 것은 합당하다. 본 연구에서는 새로운 구조의 JNK3 저해제 개발을 위해 컴퓨터 모델링을 수행하여 구조가 다른 두 가지의 JNK3 저해제군들에 대한 하나의 하이브리드 3 차원 정량적 구조 활성 상관관계(Hybrid 3D-Quantitative Structure Activity Relationship)를 확보하였다. 그 결과 비교 분자장 분석 모델에서 q2는 0.806, r2는 0.850의 값을 보였다. 비교 분자장 분석 모델과 비교 분자유사성지수 분석 모델을 기반으로 새로운 구조의 JNK3 저해제 구조인 N-(thiophen-2-yl)-8H-pyrazolo[1,5-a]pyrido[1,2-c]pyrimidine-10-carboxamide를 얻었다. Aβ는 tau 단백질과 더불어 퇴행성 뇌 질환으로 귀결되는 뇌 병변을 유발한다. 본 연구에서는 Anti-necroptotic molecule인 Necrostatin-1이 Aβ에 직접적으로 결합하여 FAD mouse model에서 인지기능의 향상을 보인 결과를 지지하기 위하여, 공동연구로 컴퓨터 모델링을 통한 예측을 통해 Aβ와 Necrostatin-1의 합리적인 상호 작용을 제시하였다. BRAF V600E는 종양 성장에 관여된 MAPK(Mitogen-Activated Protein Kinase) 신호 전달 경로에서 흑색종(Melanoma)을 유발하는 역할을 하는 것으로 알려져있다. BRAF V600E를 저해를 위해 Vemurafenib(Zelboraf®), Dabrafenib(Tafinlar®) 등의 의약품들이 개발되었으나, CRAF에 의한 BRAF V600E의 신호 전달 경로 대체인 역설적 활성화(Paradoxical Activation)로 MAPK 신호 전달 경로는 완전히 차단되지 않는다. 그러므로 BRAF V600E와 CRAF 모두의 저해를 위하여 N-(3-(3-alkyl/aryl-1H-pyrazol-5-yl)phenyl)-aryl amide/urea 유도체들을 설계 및 합성하였다. 화합물 7c는 다른 30가지의 인산화 효소들과의 비교실험에서 BRAF V600E와 CRAF에 대한 뛰어난 선택성을 보여주었으며, 이는 역설적 활성화에 대한 차단기로서 연구가치가 있음을 제시하였다. PLK1(Polo-like kinase 1)은 암세포의 세포 주기 진행과 증식에 있어 중요한 역할을 수행한다. 또한 PLK1은 항암제 내성에 기여하며 동시에 여러 종류의 종양에 있어서 치료 타겟이다. 새로운 PLK1 저해제 개발을 위해 기존의 두 가지 PLK1 저해제군들에 대한 3 차원 정량적 구조 활성 상관관계 모델을 컴퓨터 모델링을 통하여 확보하였다. 이를 기반으로 두 PLK1 저해제군들의 구조를 융합하여 새로운 구조의 4-benzyloxy-1-(2-arylaminopyridin-4-yl)-1H-pyrazole-3-carboxamide 유도체를 설계 및 합성하여 PLK1에 대한 효력과 선택성을 검증하였다.