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Liens entre le criblage Liens entre le criblage virtuel (vHTS) de cibles virtuel (vHTS) de cibles thérapeutiques potentielles thérapeutiques potentielles et la conception de et la conception de molécules réelles molécules réelles Suzanne Sirois Professeure Associée Département de Chimie UQÀM
Liens entre le criblage virtuel (vHTS) de cibles thérapeutiques potentielles et la conception de molécules réelles Suzanne Sirois Professeure Associée
Liens entre le criblage virtuel (vHTS) de cibles thrapeutiques
potentielles et la conception de molcules relles Suzanne Sirois
Professeure Associe Dpartement de Chimie UQM
Prsentation Chimiothques et Cibliothques Exemple dapplication:
SARS-CoV Mpro
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LEAD/Candidate seeking DRUG DEVELOPMENT TARGET DISCOVERY
Genomics Pathway Structural HTS and Virtual de novo Ligand-based
Synthetic Pharmaceutical Pharmaco Dosing analysis biology screening
design design chemistry optimization genetics optimization Clinical
Testing HITS Target validation Silver leadBronze leadGold lead
Target 3D structure 3D Bioinformatics Vers la Bio-intelligence
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Projet du Gnome Humain Selon lInternational Human Genome
Sequencing Consortium, on estime le nombre de gnes encodant les
protines humaines entre 20,000-25,000 Lincoln D. Stein. Human
genome: End of the beginning. Nature 431, 915 - 916 2004
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LUnivers Chimique 10 100-400 molcules Molcules organiques 10
24-40 Ertl, P. J. Chem. Info. Comput. Sci., 43, 374-380 (2203)
Molcules actuellement synthtises10 6 Molcules se liant des cibles
thrapeutiques 10 ?
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Lunion des deux Dcouverte et mise au point de molcules
thrapeutiques Identification de la fonction des protines Intgre les
informations gnomique biologique chimique pharmacologique et
pharmacocintique Sert comprendre la base molculaire de l'efficacit
d'une molcules et prdire sa toxicit potentielle et autres effets
indsirables Interactions protine-protine
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Base de molcules 3D Conversion Criblage in silico Criblage
Virtuel Docking Pharmacophore Modle SAR Cibliothque Ensemble de
chimiothques StructureModle Base de molcules 2D Structure 3D
Exprimentale connue Pas de structure 3D dtermine Liste de touches
(hits) Test in vivo Mesure affinit Mesure activit Chimiothques
Filtrage 5 M S. Sirois et al. Assessment of Chemical Libraries for
their Druggability, Comput. Biol and Chem., 29 55-67 (2005).
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Filtrage: proprits physico-chimiques
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Filtrage Groupes Ractifs
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Criblage virtuel de cibles potentielles ( vHTS Criblage virtuel
de cibles potentielles (virtual High Throughput Screening) vHTS
Structure 3D cible Site Fonction de la protine Ligand Complex
Chimiothques Modle pharmacophore Algorithmes, Ordinateurs Criblage
vHTS Liste de touches (hits)
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Application Criblage Virtuel sur SARS-CoV Mpro
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Donnes du WHO sur le SARS au 31 dcembre 2003
http://www.who.int/csr/sars/country/table2004_04_21/en/index.html
http://www.who.int/csr/sars/country/table2004_04_21/en/index.html
29 pays touchs 8096 cas 774 morts Canada 251 cas 43 morts
Transmission par contact face- face
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SARS M pro as Target All coronaviruses encode a
chymotrypsin-like (3CL Pro ) protease for proteolytic procession
during virus maturation. SARS-CoV main proteinase M pro or 3C like
similar to the Picornavirus Cys-His catalytic dyad (Cys145-His41)
similar to TGEV M pro (Cys144-His41) HcoV M pro
(Cys144-His41).
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SARS M pro as Target Because of its essential role in
proteolytic processing, the SARS M pro considered an attractive
target for antiviral drugs against SARS and other coronavirus
infections
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Protease Susceptible Sites Usually extend to an octopeptide
with the scissile bond located between the subsites P 1 and P 1
SARS M pro cleaves at least 11 inter-domain sites on the pp1a and
pp1ab polyproteins involving Leu-Gln (Ser, Ala, Gly) sequences:
LQ(S,A,G)
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Modlisation 3D par Homologie Modliser la structure 3D de la
protine cible base sur celles connues Structure 3D dune protine
connue Si la structure 3D de la cible est inconnue Construire la
serrure pour ensuite trouver la cl
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Modlisation par Homologie Structure 3D - SARS-CoV M pro HCov
40%, TGEV 44% 304 AA. domaine 1 (res. 899) mauve domaine 2 (res.
100183) jaune domaine 3 (res. 200300) bleu Boucle (res. 184199 )
liant les domaines 2 et 3 mauve. Site de liaison localis entre les
domaines 1-2 K. Anand, et al. Coronavirus Main Proteinase (3CLpro)
Structure: Basis for Design of Anti-SARS Drugs. Science 300,
1763-1737 (2003)
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Modlisation et Superposition des Structures 3D Modlisation 3D
de SARS M Pro partir de HCoV PDB: 1P9S Exprimentale PDB: 1UJ1 RMS =
1.4
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Peptidomimtique Dyade Catalytique de SARS- CoV M pro His-41 et
Cys-145
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preparative HPLC is used to purify the final product.
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Gan, Y.R. et al Synthesis and activity of an octapeptide
inhibitor designed for SARS coronavirus main proteinase, Peptide,
27(4), 622-5, (2006)
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Comment trouver dautres types dinhibiteurs Superposition des
ligands naturels Superposition des peptides 1UK4-SARS (vert) et
1P9U-TGEV (rouge) partir des coordonnes des structures cristallines
Donne un RMS de 2.19 pour tous les C. Modes de liaisons diffrents
pour les ligands du SARS et TGEV M Pro
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Superposition des ligands naturels Domaines I et II
Superposition de 6 structures complexes du SARS: 1UK4, 1WOF, 2A5I,
2AMD, 2AMQ, 2D2D Montre une poche de liaison conserve o le
sous-site S1 est dans un creux prononc qui contient les rsidus de
la diades catalytiques Cys145 and His41.
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Superposition des ligands naturels Surface molculaire de la
poche partir des 6 ligands complexs 1UK4, 1WOF, 2A5I, 2AMD, 2AMQ,
2D2D. Bleu: rgion hydrophobe Vert hydrophile Rouge: surface expose
au solvent
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Superposition des ligands naturels Surface molculaire consensus
partir des 6 ligands complexs 1UK4, 1WOF, 2A5I, 2AMD, 2AMQ, 2D2D.
Pair dlectrons libre: pourpre hydrophobe: vert Enthalpie,
entropie
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Comment trouver dautres types dinhibiteurs KZ7088 (A) AG7088
(B) Mathews, D.A. et al. Structure-assisted design of
mechanism-based irreversible inhibitors of human rhinovirus 3C
protease with potent antiviral activity against multiple rhinovirus
serotypes. Proc.Natl.Acad.Sci.USA v96 pp.11000-11007, 1999
Superposition de la protease 3C du rhinovirus (1CQQ) complexe avec
linhibiteur AG7088 sur protase principale du CoV ) (1UJ1) (
SARS-CoV M pro ) (1UJ1)
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Modle Pharmacophore de KZ7088 7 points pharmacophores KZ7088
amarr dans site de liaison de SARS-CoV M pro S. Sirois, et al.,
Virtual Screening for SARS-CoV Protease Based on KZ7088
Pharmacophore Points, J. Chem. Inf. Comput. Sci. 44, 1111-1122,
(2004).
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Criblage Virtuel sur 5M molcules a donn 2789 touches (hits)
0.07% satisfait 5 des 6 liaisons hydrognes (points pharmacophore)
Proprits physico- chimiques %Violation 170 23 1 17 2 47 >2 S.
Sirois, et al., Virtual Screening for SARS-CoV Protease Based on
KZ7088 Pharmacophore Points, J. Chem. Inf. Comput. Sci. 44,
1111-1122, (2003).
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Exemples de touches obtenues Fonction dvaluation
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Modification virtuelle Modification Calcul E int
Convergence?
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HTS Identifies Inhibitors of the SARS Cov J.E. Blanchard et al.
HTS Identifies Inhibitors of the SARS Cov M pro, Chem & Biol.
1, 1445-53, (2004)
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HTS Identifies Inhibitors of the SARS Cov
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From Hit to Lead From Hit to Lead proposed Pharmacophore For
QSAR Validated hits from HTS screening Proposed focused library
Purchase cpds Test in in vitro assays Actives? Provisional patent
filings Revise design NO YES Scaffolds identified Identified
pharrmacophores Computational Chemistry Cheminformatics Lead for
further optimization
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Rsum Mthodes in silico et CHP Gnration Pharmacophore Topologie
Site Identification Cible Structure 3d Topologie Fragment
Structures 3D Ligand Cibliothques Chimiothques Agents thrapeutiques
Fonctions des protines
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High Throughput Virtual Screening
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Projet denvergure Screensaver Lifesaver Project Computational
Drug Design at the University of Oxford The National Foundation for
Cancer Research Centre United Devices members Virtual screening
using grid computing: the screensaver project W. Graham Richards
Nature Reviews Drug Discovery 1, 551-555 [2002].
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Le Projet THINK http://www.chem.ox.ac.uk/curecancer.html 3.5
milliard molcules cribles 3.5 millions provenant de chimiothques
connues respectant les critres de Lipinski dagents thrapeutiques
Chaque molcule est varie 100 fois en ajoutant un substituant
alatoirement Chimie combinatoire 3 semaines pour processer une
cible
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Combien dannes? Si 25000 cibles potentielles X 3 semaines =
75000/52 = 1442 annes pour 3.5 milliard molcules cribles Si 10
24-40 milliard molcules potentielles Avec une chimiothque de 3.5
milliard molcules On a cribl uniquement 10 9 / 10 24 soit 10 -15 de
toutes les molcules potentielles
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Nombre de structures dans PDB X-ray Diffraction28807 NMR5124
Total33931
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Solution: Calculs sur Rseaux dOrdinateurs (Grid Computing)
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Construction de Chimiothques Diversifies But: Augmenter la
qualit du criblage en fonction diversit molculaire Proprits
ADMET
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Processus Chimiothque Molcules Drug-like Filtre: Enlve
indsirables Analyse Diversit: Enlve redondants Espace Chimique
Augmente le potentiel de succs du criblage Ajoute les molcules avec
Chimie Combinatoire
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Nombre de Violation 0: mauve 1 : bleu 2: vert n: orange- rouge
Dfini un espace de diversit drug-like Soit une chimiothque relle
Enlve les composs non-ADMET
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Comment la diversit est-elle dfinie? Grandeur? Age? Nombre
denfants? Salaire? Comment reprsenter plus de 4 descripteurs? Une
combinaison de tous?
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Topologique 2-D formules structurales lectrostatique Charge
positive ou ngative Gomtrique 3-D forme et structure Quantique
Orbitales atomiques et molculaires Types de Descripteurs
Molculaires
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Exemple avec 25 Descripteurs 25 descripteurs DLI (Drug-like
Index) Chaque structrure est reprsente par un point dans un espace
25 dimensions Utilise mthode PCA (Principal Component Analysis)
Graphiques 3D: choisit les 3 premiers-PCAs Rduit la dimensionalit
de lensemble
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Soit 2 Chimiothques
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Chimiothque assemble de 125K mauve WDI rouge O se situe le
domaine des molcules biodisponibles? ? ? ? ?
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Merci A tous les collaborateurs V. Makarenkov et Ren Roy