Chemoinformatische Entwicklung von Naturstofffragmenten, sowie deren strukturbiologische und biochemische Evaluierung zur fragmentbasierten Inhibitorentwicklung

Abstract

Die Fragmentbasierte Wirkstoffentwicklung (FBDD) hat sich als wertvolle Methode zur Detektion neuer Moleküle mit inhibitorischen Eigenschaften etabliert. Allerdings bestehen die derzeit üblicherweise verwendeten Fragment-Bibliotheken aus sp2-reichen Molekülen und es werden daher verstärkt Wege gesucht den erforschbaren chemischen Strukturraum zu erweitern.1-4 Biologisch validierte Naturstoffe sind reich an Stereozentren und decken einen Bereich des chemischen Strukturraums ab, der von im Allgemeinen genutzten synthetischen Molekülen nicht abgebildet wird.5 Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich ein Algorithmus entwickelt, der in der Lage ist Naturstoffe zu Naturstofffragmeten zu reduzieren und dabei die wichtigen funktionellen Gruppen, sowie Anknüpf- bzw. Modifikationspunkte an ihrer natürlichen Position zu erhalten. Es wurde ein Datensatz mit über 180,000 annotierten Naturstoffen analysiert und eine repräsentative Bibliothek aus 2,000 von Naturstoffen abgeleiteten Fragmenten zusammengestellt, die die Eigenschaften aller generierten ~110,000 Naturstofffragmente und der ursprünglichen Naturstoffe widerspiegeln und reich sind an sp3-konfigurierten Stereozentren. Diese Strukturen unterscheiden sich erwartungsgemäß vom bisher untersuchbaren chemischen Strukturraum. Dennoch sind für ungefähr die Hälfte der virtuellen Bibliothek repräsentative Fragmente kommerziell verfügbar. Mit Hilfe dieser Naturstofffragmente konnten, auch bei etablierten Zielproteinen, bisher unbekannte inhibitorische Fragmente gefunden werden. Unter anderem wurde das Konzept durch die Identifizierung von neuen Inhibitoren der aktiven Form und neuartigen Stabilisatoren der inaktiven Form von p38a MAP Kinase validiert. Zudem konnten insgesamt 52 Fragmente als neuartige Phosphataseinhibitoren gefunden werden.

Fragment-based drug discovery (FBDD) has proven to be a valuable method to find new inhibitory small molecules, but it mostly employs sp2-rich compounds and the community is intensively looking for new fragment collections to expand the explorable chemical space.1-4 Biologically validated natural products (NPs) are rich in stereogenic centers and populate areas of chemical space not occupied by average synthetic molecules.5 Therefore, a new algorithm was developed that successively degenerates natural products to natural product-derived fragments keeping their attachment points at natural positions. In this work a large set (> 180,000) of natural product structures was analyzed to arrive at ca. 2,000 natural product derived fragments which are structurally highly diverse, resemble the properties of NP scaffolds and NPs themselves and are rich in sp3-configured centers. The structures of these cluster centers differ from previously explored fragment libraries, but for nearly half of the clusters representative members are commercially available. We validate their usefulness for the discovery of novel ligand and inhibitor types by identification of novel fragments stabilizing the inactive conformations of p38a MAP kinase and inhibitors of several phosphatases.