Virtual screening and end-point binding free energy methods for developing targeted cancer therapies - applications on acetyltransferases and protein kinases as case studies

Abstract

Epigenetische Modulatoren und selektive Proteinkinasinhibitoren sind neuartige Arzneistoffe, die als effektive gezielte Therapien gegen verschiedenen Krebsarten und andere Krankheiten erscheinen. Im ersten Teil dieser Arbeit, ausgehend von der strukturellen Homologie innerhalb der GNAT Histon-Acetyltransferase-Superfamile (z.B. AANAT und PCAF) durch den kombinierten Einsatz computergestützter Methoden (z.B. Virtuelles Screening, Ähnlichkeitssuche, molekulares Docking) und biochemischer Screeningverfahren wurden Rhodanin-Indolinon-Carbonsäuren als eine neue Klasse niedermolekularer HAT-Hemmstoffe charakterisiert. Pyridoisothiazolone mit einem variierenden aromatischen Substitutionsmuster wurden auch als potente niedermolekulare kovalente HAT-Hemmstoffe identifiziert. Im zweiten Teil wird dargestellt, wie die Berechnung der freien Energie zusammen mit Molecular-Dynamics Simulationen auf Basis verschiedener Proteinkinasestrukturen durchgeführt wurde. Das Ziel war, die optimale Methode zur Vorhersage von Bindungkonformations- oder Bindungsstärke (Affinität) zu finden. Solche Methoden können wertvoll sein, um selektive Proteinkinasinhibitoren zu entwickeln. Die Konformation von P-loop der Kinasen wurde als wichtiger Faktor für die Konformationenergie identifiziert. Zudem beeinflusst der P-loop maßgeblich die Wasseranlagerung innerhalb der Bindungtasche der Proteinkinasen. Wasser kann auch die Protein-Liganded Wechselwirkung vermitteln. Aus diesem Grund wurde die Distanz zwischen P-loop und A-loop als Parameter für Induced-Fit-Effekte genutzt.

The epigenetic mechanisms of regulating cellular gene expression were found to be important in many types of cancer and diseases. In the first part of this work, we successfully applied a virtual screening strategy, based on screening a focused chemical library on one of the epigenetic enzymes; namely Histone Acetyltransferase (PCAF). Our work was successful in capturing new scaffolds for inhibiting PCAF; pyridoisothiazolones as new covalent PCAF inhibitors, and rhodanine-carboxylic acids as non-covalent PCAF inhibitors. Targeted kinase inhibition emerged as a promising strategy for targeted therapy of different kinds of diseases, related to cell regulation and proliferation. The high flexibility of the ATP binding pocket and its high exposure to water can be reasons of some complications in predicting the binding affinities of some kinase inhibitors series. The conformation of P-loop appeared as determinant factor for kinase conformational energy and the binding pocket’s hydration. A developed method, which is called P-loop/A-loop-distance-dependent LIE models, was able to tackle the problems of induced fit effects and the role of water molecules as mediating bridges between the protein kinase and its ligands.