Modèle d’homologie versus la structure des rayons X dans la conception de médicaments à base de récepteurs: une analyse rétrospective avec le récepteur Dopamine D3

La conception basée sur la structure (SBD) utilise l’information apportée par un modèle tridimensionnel (3D) du récepteur pour aider à la découverte et à l’optimisation des ligands. La représentation 3D de la protéine donne un aperçu de la forme et de l’électrostatique du site de liaison, ainsi que de la nature de ses acides aminés constitutifs. En effet, il donne un aperçu des interactions possibles que les ligands pourraient former. SBD est largement utilisé en chimie médicinale à différentes étapes du processus de découverte de médicaments. Au plus tôt, SBD peut être utile dans la sélection de nouveaux hits à partir d’une grande bibliothèque, réduisant ainsi la taille des composés à tester expérimentalement (hit-finding). De nombreux exemples dans la littérature rapportent le succès des études de screening virtuel.1,2 SBD s’est également révélé très utile dans l’étape suivante de l’optimisation des leads, notamment en tant qu’outil pour comprendre et rationaliser les relations d’activité de la structure3. à partir d’une structure cristalline fiable du récepteur cible. Cependant, en comparaison avec le grand nombre de protéines d’intérêt pharmaceutique, le nombre de structures cristallines disponibles est limité. Cela est particulièrement vrai pour les récepteurs couplés aux protéines G (GPCR), la classe de médicaments la plus importante dont les ligands représentent environ 50% des médicaments actuellement commercialisés.4 Pour compenser la rareté des structures cristallines, les modèles moléculaires des protéines cibles sont souvent construit sur la base d’un voisin structural proche (modélisation comparative / homologie) galactorrhée. Pour les GPCR, la rhodopsine bovine a longtemps été la seule structure expérimentale disponible. Ainsi, une myriade de modèles d’homologie (HM) issus de la percée du travail de Palczewski5 ont été construits et utilisés dans des expériences de criblage virtuel.1,2 Les structures GPCR de compagnon sont apparues ces dernières années pour opsin, 6 β -1,7 human &#Très récemment, la structure cristalline de la chimiokine CXCR4 humaine a été résolue sous forme liée avec de petites molécules et des ligands peptidiques10. Le récepteur de la dopamine D3 humain (D3R) était le récepteur de l’adénosine 104 et A2-adénosine. Le nombre croissant et accéléré de structures GPCR expérimentales est une grande opportunité pour SBD, principalement pour trois raisons. Premièrement, il augmente la probabilité de trouver un homologue aussi proche que possible d’une cible GPCR donnée. Il est important puisque la qualité de HM dépend de l’identité de séquence entre les protéines cibles et modèles12. Deuxièmement, des échafaudages supplémentaires disponibles améliorent le processus de construction du modèle; en effet, plusieurs modèles fournissent de meilleurs modèles qu’un modèle unique.13 Même si la liste est en croissance, il est peu probable que tous les récepteurs puissent être cristallisés, de sorte que HM pourrait rester un outil irremplaçable. Une telle observation apporte la troisième contribution des structures radiographiques: elle permet de tester rétrospectivement la qualité des HM existantes et, par extrapolation, de donner du poids aux modèles actuellement utilisés dans de nombreux projets pharmaceutiques. Depuis le clonage de D3R, Nous avons participé activement à la découverte d’un candidat-médicament. Notre modèle D3R historique a été construit à l’époque où la rhodopsine bovine était le seul modèle disponible. Ce HM a été largement utilisé pour la conception de ligands D3R puissants, résultant en une bibliothèque de 1500 molécules, avec des valeurs Ki allant de 0,1 nM à 10 μLa bibliothèque contient des échafaudages très différents mais aussi des ligands très proches dans une série donnée (Figure ​ (Figure1) .1). En conséquence, il constitue un ensemble de données très bon et très difficile pour comparer la précision des structures HM et X-ray. Il a déjà été suggéré que les structures de rayons X ne sont pas une condition préalable pour SBD mais que HM peut convenir à cette fin.15,102 Les récentes structures cristallines D3R et notre bibliothèque D3R nous permettent d’approfondir le sujet et de poser la question suivante: X -ray structure améliorer grandement la précision de SBD, ou HM effectuer de manière comparable? Figure 1D3R bibliothèque chimique de Bioprojet. Les ligands sont représentés à travers 45 empreintes digitales et propriétés physiques sur un espace composant principal (composants principaux PC1, PC2 et PC3). A gauche, les ligands sont colorés en fonction de leur affinité D3R. Il … Nous avons comparé notre structure historique de HM et de rayons X de D3R (PDB: 3PBL) à travers l’analyse géométrique et statistique. Les diagrammes de contact de la chaîne latérale pour les deux structures ont révélé un profil très similaire (figure ​ (figure2), 2), et la superposition a donné le rmsd indiqué dans le tableau 1. Comme les deux protomères présents dans la cellule unité cristalline diffèrent de # x003b1, carbones) et 1.7 Å (tous les atomes lourds), les 2.7 (α carbones) et 3.5 Å (tous les atomes lourds) entre la structure des rayons X et HM sont plutôt faibles. De plus, si nous limitons la comparaison aux domaines transmembranaires (TM) et si nous ne tenons pas compte des boucles intra- et extracellulaires flexibles, le rmsd tombe à 1,7 (α carbones) et 2,5 Å (tous les atomes lourds). Figure 2 Diagramme de contact des chaînes latérales pour la structure des rayons X de D3R (A) et HM (B) à base de rhodopsine bovine. (C) Superposition de α -carbon trace de HM (rouge) et de la structure des rayons X (bleu) du récepteur.Tableau 1 Déviation carrée moyenne (RMSD, in Å) après superposition de protomètres à rayons X À proximité du site de liaison, la région la plus pertinente de la protéine pour le SBD, peu de positions d’acides aminés dévient de manière significative (figure 3) .3 ). Nous notons que Phe346 est tourné vers le site de liaison dans la structure cristalline, alors qu’il faisait face et a augmenté le volume de la cavité dans le HM. Trp342 est légèrement traduit, avec des centroïdes de 1,9 Å une part. Comme Phe346 dans TM6, Ser192 et Ser196 de TM5 sont également plus engagés dans le site de liaison aux rayons X que dans HM (les centroïdes sont, respectivement, 1,7 et 1,9 &#x000c5, à part). Fait intéressant, ces trois résidus les plus déviants sont connus pour être impliqués dans la liaison des agonistes des récepteurs dopaminergiques D2 ou D316 ou pour être cruciaux dans la transition conformationnelle entre les états inactifs et actifs des RCPG17. D3R a été cocristallisé avec l’antagoniste eticlopride. Ainsi, il est très probable que la structure cristalline représente le conformateur inactif. En tant que BP897,18, la plupart de nos ligands sont des agonistes partiels; ils interagissent certainement avec un conformateur actif (partiel) du récepteur. Ainsi, il n’est finalement pas surprenant que les positions de résidus décrites ci-dessus soient les plus divergentes. Figure 3Detail du mode de liaison supposé de BP897 en HM (atomes de carbone en vert) et en structure de rayons X (atomes de carbone en gris). Les résidus importants sont étiquetés dans le stéréoview. Un rmsd de 2,2 Å a été calculé entre BP897 dans HM et dans la structure de rayons X. … L’ancrage de l’éticlopride dans notre HM a proposé un mode de liaison très similaire à celui observé dans la structure cristalline. Les résidus qui interagissent sont les mêmes, et le pont salin avec Asp110 est également présent, ainsi que l’empilement observé avec Phe345. Les deux sites de liaison sont très similaires. En amalgamant notre plomb historique BP897,19, un dérivé de phénylpipérazine de haute puissance et de sélectivité modérée, dans les deux structures, nous avons trouvé des orientations et des conformations identiques du ligand. La plupart des résidus qui interagissent sont les mêmes et les types d’interactions sont conservés. La phénylpipérazine est la partie la plus enfouie du ligand, située au milieu de la section TM. La cavité correspondante du récepteur est formée par Val111, Cys114, Val189, Ser192, Ser193, His349 et Phe197. L’implication de His349 a été corroborée par des expériences de mutagénèse faites sur D3R20 et celle de Phe197 sur D2R.14,16 & 101. Le phényl du ligand est engagé dans le piégeage de Phe346 de TM6, et les formes aminées basiques un pont de sel avec Asp110 de TM3 (Figure 33). Le naphtyl est juste au-dessous des boucles extracellulaires, en contact avec Leu89, Gly94 et Ser366.Dans le HM, l’empilement est très probable avec His29 , Tyr32 et / ou Trp370 Dans la structure des rayons X, Tyr365 est un partenaire potentiel plus probable Dans le HM, le carbonyle forme une liaison hydrogène avec un amide de squelette de Cys181, tandis que l’azote est lié à H avec l’amide de squelette. de Thr369 dans la structure de rayons X.Pour les deux structures, le linker est doublé de Phe106, Val107, Tyr365, Thr369 et Thr373, en accord avec les données de mutagénèse sur D3R ou d’autres récepteurs dopaminergiques.21 La structure HM et les rayons X expliquent très bien les relations structure-activité observées pour les ligands D3R. Brièvement, un groupe aromatique est très important dans la sous-occupation occupée par le phényle de BP897. Les composés incapables de former l’interaction π -stacking avec Phe345 sont fortement pénalisés. Le pont salin entre une amine basique et Asp110 est également fondamental pour un ligand de haute affinité. En raison du volume limité dans la cavité correspondante, le linker ne peut pas être trop volumineux ni rigide. En accord avec la liaison H suggérée avec l’amide de BP897, des ligands de haute affinité ont conservé cette caractéristique. Enfin, la cavité englobant le naphtyle est volumineuse, ce qui explique la tolérance structurale observée dans les relations d’activité de la structure. Le substituant ligand correspondant peut être de nature lipophile variable et de taille variable sans forte influence sur l’affinité D3R. Pour obtenir une comparaison statistique entre le HM et la structure des rayons X, nous avons utilisé notre “ in-house ” D3R chimiothèque grâce à l’amarrage moléculaire. L’affinité du ligand a été estimée par une fonction de notation personnalisée, 22 définie comme un consensus des fonctions de notation existantes et des termes supplémentaires traitant de l’énergie lipophile et conformationnelle des molécules. La précision des deux modèles a été quantifiée via l’aire des caractéristiques de fonctionnement du récepteur sous la courbe (ROC AUC) .23 Les courbes ROC sont un graphique de la sensibilité (vrai taux positif) vs spécificité (vrai taux négatif) pour un système classificateur binaire seuil varie. Ainsi, il est bien adapté pour évaluer la performance de dépistage virtuel où l’on doit faire la distinction entre les composés actifs et inactifs. Selon la qualité du modèle, les valeurs AUC vont de 0 à 1, avec 0,5 sélection aléatoire aléatoire. Comme nous le voyons dans le tableau 2, notre HM est très réussie, avec une AUC ROC de 0,72. Ce résultat peut être comparé à des expériences de criblage virtuel menées avec des structures de rayons X de la protéase du VIH du virus de l’immunodéficience humaine (AUC = 0,66 et 0,69), 24 dihydroptéroate synthase (AUC = 0,69 & 0,72), 25 ou un ensemble. d’autres structures cristallines (AUC = 0,55 − 0,77) .26 De manière surprenante, la structure des rayons X bruts semble être moins précise, avec une AUC ROC de 0,66. Une raison est probablement que notre HM a été soumis à de multiples raffinements pour prendre en compte les connaissances extraites de la chimie médicinale. Ainsi, au cours du processus d’optimisation du lead, le HM a été continuellement amélioré avec la structure en cours − relations d’activité. Ainsi, nous avons essayé de relaxer légèrement la structure cristalline à travers différents protocoles: simulations de recuit simulant la minimisation d’énergie ou expériences de dynamique moléculaire en présence de BP897. De cette façon, tous les ligands peuvent être ancrés, mais la précision n’a augmenté que marginalement. Il semble qu’une modification plus profonde de la structure des rayons X serait nécessaire et pas seulement une relaxation en présence d’un ligand. Il est également important de garder à l’esprit qu’un certain nombre de nos ligands sont des agonistes partiels, et la difficulté de la structure des rayons X GPCR pour traiter les agonistes a déjà été rapportée. Tableau 2 Résultats comparatifs pour l’ancrage de notre bibliothèque chimique D3R dans différentes structures de récepteurs : Modèles dérivés de la structure HM et de la structure cristallineLa résolution de la structure cristalline D3R par Chien et al.11 est un point de repère dans le futur de la conception des ligands des récepteurs de la dopamine. Il présente un grand intérêt pharmaceutique étant donné que le système dopaminergique cérébral est impliqué dans de nombreux troubles psychiatriques et neurologiques, tels que la maladie de Parkinson, la schizophrénie, la dépression et la toxicomanie29. En outre, la structure de rayons X de D3R nous a donné l’occasion de tester la validité d’un HM que nous avons construit précédemment à base de rhodopsine bovine. Cette comparaison a montré que nous avions construit un modèle 3D géométriquement très proche du modèle expérimental. En amarrant notre bibliothèque chimique historique et en comparant l’affinité estimée de précision, nous avons également montré qu’un HM raffiné est au moins aussi bon que la structure de rayons X brute. Bien que la chimie médicinale soit toujours désireuse d’obtenir de nouvelles structures cristallines de protéines cibles, notre étude avec D3R démontre que HM est déjà un excellent substitut. Etant donné le grand nombre de RCPG actuellement soumis à des efforts de découverte de médicaments, cette étude est plutôt encourageante.