Расширение химического инструментария для целенаправленной деградации белков

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-13-00005

НазваниеРасширение химического инструментария для целенаправленной деградации белков

Руководитель Кантин Григорий Павлович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-103 - Синтез, строение и свойства природных и физиологически активных веществ; медицинская химия и прогнозирование различных видов биоактивности

Ключевые слова многокомпонентные реакции; химия диазосоединений; сукцинимид; глутаримид; синтез, направленный на разнообразие; медицинская химия; параллельный синтез; дизайн лекарств; иммуномодулирующие препараты; талидомид; протеолитическая деградация белков; убиквитин-лигазы; антипролиферативная активность; противораковые препараты; молекулярное моделирование

Код ГРНТИ31.21.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Терапевтические подходы к целому ряду заболеваний (прежде всего, онкологических) традиционно основаны на снижении уровней (ингибировании) различных белков (ферментов) моноклональными антителами (MAB) или низкомолекулярными ингибиторами (SMI). Оба этих подхода обременены недостатками, снижающими продуктивность фармацевтической промышленности в создании новых препаратов. Это, прежде всего, чрезвычайная дороговизна MAB и высокий риск провала программ по разработке SMI, особенно на поздних стадиях клинических исследований, ввиду возникновения нежелательных побочных явлений. Около 20 лет назад в академической среде родилась идея использовать – как альтернативу MAB и SMI – естественную способность наших клеток избавляться от ненужных или дефектных белков. Это так называемая убиквитин-зависимая протеасомная деградация таких белков (за исследования в этой области в 2004 году была присуждена Нобелевская премия по химии). Для того, чтобы нежелательный белок был распознан и гидролизован протеасомой, к нему должны быть присоединены (при участии ферментов убиквитин-лигаз) несколько молекул небольшого по размеру белка убиквитина. Идея объединить в структуре одного химерного агента как лиганд какой-либо убиквитин-лигазы, так и лиганд того белка, который мы хотели бы намеренно подвергнуть протеасомной деградации, возникла в 1998 году. Суть идеи в том, что такой агент будет доставлять нежелательный белок к убиквитин-лигазе, в результате контакта с которой белок будет убиквитинирован и далее неизбежно подвергнут протеолитической деградации в протеасоме. Первые опыты по реализации этой идеи (обнародованные в 2001 году) оказались удачными. Однако потребовалось почти 20 лет, чтобы такой подход на основе химерных структур, получивших название PROTAC (от английского “PROteolysis TArgeting Chimeras"), заслужил признание как прорывная технология конструирования лекарств. Сегодня в эту технологию инвестируются миллиарды долларов, практически любая крупная фармацевтическая компания (среди них Roche, Pfizer, Merck, Novartis и GlaxoSmithKline) ведет исследования в этой области, а сегодняшнее состояние дел в сфере PROTAC зачастую называют «золотой лихорадкой». На стадии клинических испытаний (спонсируемых биотехнологической компанией Arvinas, США) пока находится только два агента PROTAC – деградаторы андрогеновых рецеторов для лечения рака предстательной железы и эстрогеновых рецепторов для лечения рака молочной железы. Однако в ближайшее время ситуация должна коренным образом измениться. Действительно, химерные конструкции PROTAC-типа могут быть созданы для деградации практически любого белка, и даже таких белковых мишеней, которые традиционно считались “undruggable”, т. е. не подверженных действию терапевтических агентов. Кроме того, агенты PROTAC действуют по каталитическому механизму. Поэтому, в отличие от традиционных ингибиторов, чья эффективность зависит от связывания с максимальным числом молекул белковой мишени, агенты PROTAC способны в наномолярных и субнаномолярных концентрациях снижать внутриклеточное содержание своей мишени на 90%. Соответственно, для достижения требуемого терапевтического эффекта достаточно создать относительно низкую концентрацию агентов PROTAC, что существенно снижает вероятность возникновения токсических и других нежелательных побочных явлений. Популярной в контексте дизайна агентов PROTAC убиквитин-лигазой является белок цереблон (CRBN). Интересно, что открытие последнего связано с многолетними усилиями по изучению причин тератогенного действия известного препарата талидомид. Выяснилось, что помимо серьезных побочных эффектов, талидомид и его аналоги обладают так называемыми иммуномодулирующими свойствами. Это позволило доказать их эффективность в лечении, в частности, миеломной болезни (онкологическое заболевание крови). Предполагается, что препарат будет эффективен и в других терапевтических областях. Однако лишь в 2010 году было установлено, что молекулярной мишенью талидомида является CRBN. Также было доказано, что именно связывание с этой убиквитин-лигазой определяет противораковое и иное действие талидомида и его близких аналогов. Это открытие – вкупе с полученной в 2014 году рентгено-диффракционной структурой комплекса «талидомид-CRBN» – дало в прошедшем десятилетии толчок к созданию и изучению агентов PROTAC, нацеленных на убиквитинирование ферментом CRBN и последующую протеасомную деградацию по крайней мере десятка различных белков – преимущественно хорошо изученных мишеней в области онкологии. Проведенный нами тщательный анализ научной и патентной литературы показал, что в дизайне агентов PROTAC в подавляющем большинстве используются строительные блоки известных иммуномодулирующих препаратов (талидомида и его близких аналогов). Отметим, что это опасная стратегия, поскольку побочные эффекты этих препаратов никто не отменял, а значит, необходим поиск новых по структуре лигандов CRBN. Работы в этом направлении уже были начаты в 2018 году в лаборатории профессора Маркуса Хартманна (Институт биологии развития Макса Планка), нашего партнера в этом проекте. Им было предварительно рассмотрено релевантное химическое пространство лигандов CRBN в контексте их сродства к каталитическому домену этого белка. Также было получено множество кристаллических структур, которые позволят при выполнении данного проекта расставлять приоритеты в дизайне новых потенциальных лигандов CRBN еще до их синтеза. Важно подчеркнуть следующее. На сегодняшний день, среди научных групп, занятых разработкой новых синтетических методов и поиском медицинско-химических приложений для таковых (а это – кредо и основной принцип работы нашей лаборатории), никто не предпринимает систематических усилий к воплощению новых идей по дизайну лигандов CRBN в конкретные химические соединения (точнее, библиотеки соединений), используя традиционные подходы синтетической органической и медицинской химии. Мы твердо намерены восполнить этот пробел при выполнении настоящего проекта, имеющего преимущественно химическую направленность. Поставленные цели по достижению целевой биологической функциональности будут достигнуты преимущественно за счёт созданной нами сети научного сотрудничества. В сотрудничество по тематике проекта будут вовлечены эксперты в области убиквитин-зависимой протеасомной деградации белков из Института Макса Планка (Тюбинген, Германия), Казанского федерального университета и Института цитологии РАН (Санкт-Петербург). В разработанной нами химической программе мы опираемся на собственные разработки нашей лаборатории в области химии диазосоединений (реакции X-H внедрения, спироциклизации, циклоприсоединения, перегруппировки Вольфа), многокомпонентной химии (реакции Уги, Кастаньоли-Кушмана, Штаудингера), а также на классические подходы в области конструирования полигетероциклических систем. Отбор конкретных структур в синтез будет проводиться методами молекулярного моделирования. В результате будет не только разработан принципиально новый химический инструментарий для конструирования агентов PROTAC, нацеленных на убиквитин-лигазу CRBN, но и будет несколькими, ортогональными друг другу, методами изучена их биологическая функциональность, а также сконструированы и протестированы в клеточных моделях полноразмерные агенты PROTAC, направленные на деградацию «классических» противораковых мишеней, в частности, поли(АДФ-рибоза) полимеразы, для которой в нашей группе недавно были разработаны высокоэффективные лиганды. Кроме того, наша коллаборация с Институтом Макса Планка открывает нам доступ к валидированной тест-системе на деградацию белка BRD4. Соответственно, деградаторы PROTAC-типа на BRD4 также будут созданы в ходе выполнения настоящего проекта. Наиболее перспективные лиганды CRBN, а также созданные на их основе агенты PROTAC станут предметом заявок на патенты, что обеспечит конкурентоспособность и дальнейшую коммерциализацию наших разработок. В условиях исключительного интереса к технологии PROTAC со стороны фармацевтических гигантов лицензирование прав интеллектуальной собственности на подобные разработки более чем вероятно.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бакулина О.Ю., Сапегин А.В., Бунев А.С., Красавин М.Ю. Synthetic approaches to constructing proteolysis targeting chimeras (PROTACs) Mendeleev Communications, 22, 419-432 (год публикации - 2022)
10.1016/j.mencom.2022.07.001

2. Красавин М.Ю., Адамчик М.А., Бубырев А.И.,Хайм К.,Майвайльд С.,Жуковский Д.Д.,Жмуров, П. А.,Бунев А. С., Хартманн М.Д. Synthesis of novel glutarimide ligands for the E3 ligase substrate receptor Cereblon (CRBN): investigation of their binding mode and antiproliferative effects against myeloma cell lines. European Journal of Medicinal Chemistry, 246, 114990 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ejmech.2022.114990

3. Бархатова Д.Д., Жуковский Д.Д., Хайм К., Майвальд С., Хартманн, М.Д., Красавин М.Ю. Synthesis of novel glutarimide derivatives via the Ugi multicomponent reaction: affinity towards the E3 ubiquitin ligase substrate receptor Cereblon Mendeleev Communications, 32, 747-749 (год публикации - 2022)
10.1016/j.mencom.2022.11.013

4. Адамчик М.А., Бубырев А.И., Жуковский Д.Д., Жмуров П.А., Бунев А.С., Красавин М.Ю. Synthesis of novel glutarimide derivatives via the Michael addition of (hetero)aromatic thiols: pronounced effect of sulfur oxidation on cytotoxicity towards multiple myeloma cell lines Mendeleev Communications (год публикации - 2023)

5. Каспаравичус М.Г., Вебер Д.И., Бунев А.С., Сапегин А.В. Novel 2-amino-substituted (thio-)morpholin-3,5-diones: synthesis and cytotoxicity studies Mendeleev Communications (год публикации - 2023)

6. Кантин Г., Голубев П., Сапегин А., Бунев А., Дарьин Д. N-Boc-α-Diazo Glutarimide as Efficient Reagent for Assembling N-Heterocycle-Glutarimide Diads via Rh(II)-Catalyzed N-H Insertion Reaction Beilstein Journal of Organic Chemistry (год публикации - 2023)

7. Ананьева, А., Кантин, Г., Дарьин, Д., Бунев, А., Ибелинг, С., Германн, А., Хартманн, М., Калинин, С., Бакулина, О. Catalytic Castagnoli-Cushman reaction-based synthesis of tetrahydroisoquinolone-glutarimide dyads and their evaluation as potential cereblon ligands Mendeleev Communications (год публикации - 2024)

8. Кантин Г., Сапегин А., Дарьин Д. 5-Diazo Dihydrouracils: Preparation and Some Transformations Journal of Organic Chemistry, Journal of Organic Chemistry 2024, 89, 20, 15197–15205 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.joc.4c01973

9. Шевалёв, Р. М., Бишоф, Л., Сапегин, А. В., Бунев, А. С., Григорьева, О., Кантин, Г. П., Калинин, С. А., Хартманн, М.Д. Discovery and characterization of potent spiro-isoxazole-based cereblon ligands with a novel binding mode European Journal of Medicinal Chemistry, European Journal of Medicinal Chemistry (2024) 270 116328 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ejmech.2024.116328

10. Радюпов В., Кантин Г., Дарьин Д. Facile N-Modification of NH-Tetrazoles via Rh(II)-Catalyzed N-H Insertion Involving Structurally Diverse Diazo Reagents European Journal of Organic Chemistry (год публикации - 2024)
10.1002/ejoc.202401138

11. Кужахметова, Л., Ананьева, А., Кантин, Г., Дарьин, Д., Бунев, А., Ибелинг, С., Германн, А., Хартманн, М., Калинин, С., Бакулина, О. Synthesis of a-(azidomethyl)glutarimide and its application in construction of potential Cereblon ligands via the CuAAC reaction Mendeleev Communications (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году продолжились наши исследования связанные с главной целью проекта – поиском новых, отличных по структуре от традиционно используемых (Талидомид, Помалидомид, Леналидомид) лигандов убиквитин-лигазы Цереблон. Были синтезированы три структурно различные библиотеки гетероциклических соединений, содержащих глутаримидный фрагмент. Получены производные спироциклического изоксазолина (статья в журнале European Journal of Medicinal Chemistry (2024) 270 116328, https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2024.116328 ), производные тетрагидроизохинолина (статья в журнале Mendeleev Communications принята к печати 18.11.2024) и производные 1,2,3-триазола (статья в журнале Mendeleev Communications принята к печати 10.09.2024). Новые лиганды предоставляют возможность создания на их основе эффективных инструментов для целенаправленной деградации активных белков в рамках конструкций, таких как PROTACs (Proteolysis-Targeting Chemeras) или «молекулярные клеи». Наряду с поисками новых лигандов убиквитин-лигазы в этом году нами была продолжена разработка методов создания подобных соединений. Кроме предложенного ранее диазореагента N-Boc-α-диазоглутаримида (был использован для модификации кольца глутаримида) в 20024 г нами был разработан метод получения его аза-аналога N,N’-дибокированного 5-диазодигидроурацила (статья в Journal of Organic Chemistry 2024, 89, 20, 15197–15205 https://doi.org/10.1021/acs.joc.4c01973 ). С его помощью был синтезирован ряд производных дигидроурацила (таких как цилопропил- и гетарилпроизводных, спиродиоксоланов содержащих фрагмент дигидроурацила и др.) представляющих большой интерес в качестве перспективных лигандов Цереблона. Согласно предварительно проведенным расчетам in silico эффективными лигандами CRBN выступили производные тетразола, содержащие при атоме N2 глутаримидный заместитель. В 2024 году в нашей научной группе был разработан метод получения подобных соединений при реакции 5-замещенных тетразолов и диазокарбонильных соединений, в том числе и диазоглутаримида (статья в журнале European Journal of Organic Chemistry, принята в печать 16.11.2024 https://doi.org/10.1002/ejoc.202401138 ). Наиболее перспективные соединения всех предложенных классов были исследованы на сродство к Цереблону, для них были получены данные рентгеноструктурного анализа кристаллов лиганд-белок и определена их антипролиферативная активность на линиях миеломы. Для изучения пригодности полученных нами ранее лигандов CRBN участвовать в целенаправленной деградации белков в 2024 г. в нашей научной группе был осуществлен синтез химерных молекул PROTAC, прямых аналогов уже описанных в литературе PROTAC – деградаторов белка BRD4. В качестве лиганда CRBN вместо Талидомида выступал исследованный нами ранее лиганд 2-бензотриазолилглутаримид. Для проверки возможности использовать новые лиганды CRBN в качестве деградаторов белков не входящих в семейство PROTAC, была синтезирована серия сульфаниламидных производных 5-аминобензотриазол-2-ил-глутаримидов – перспективных «молекулярных клеев». Все указанные соединения были направлены на биологические испытания в Центр медицинской химии под руководством Александра Бунева (Тольяттинский университет).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы при разработке лекарственных препаратов фармакологическими компаниями Российской Федерации.