Quimiogenômica na identificação e validação de biomacromoléculas

Quimiogenômica na identificação e validação

de biomacromoléculas

Carlos Montanari IQSC, 2011

Brinster, 1982

Definições

• Farmacogenoma

– NCEs baseadas no genoma humano

• Farmacogenética

– Resposta da NCE com base hereditária

• Genômica funcional

– Relações genotípicas- fenotípicas

• Farmacoproteoma

– “Subtipos” de pacientes - análise proteínas

• Farmacoterapia – Tratamento

pacientes

• Análise genética para diagnose e classificação das doenças

• Farmacodinâmica – Variação do efeito

como resultado do polimorfismo (SNP) em receptores

Genoma humano, 2003

3 billion base pairs 23 pairs of chromosomes within the nucleus of all our cells

~ 20,000 genes in the human genome makes an average of

three proteins.

2 million proteins

Código genético (mRNA)

Overington et al. Nature Reviews Drug Discovery 5, 993–996 (December 2006) | doi:10.1038/nrd2199

http://xin.cz3.nus.edu.sg/group/ttd/ttd.asp

Has more than 1500 targets, including:

> 300 successful,

> 250 clinical trial

> 1000 research targets.

more than 4000 drugs, including:

> 1500 approved,

> 1000 clinical trial

>1500 experimental drugs.

Targets and drugs in this database cover 61 protein biochemical classes and 140 drug therapeutic classes

Molecular targets of FDA-approved drugs

Frequency distribution for small-molecule drug potencies.

Informações contidas na enzima

• Estrutura

secundária/terciária/quaterná ria

• Sequência primária

• Sequência de “assinaturas”

• Localização

Genôma/cromossomo

• Substratos

• Co-fatores

• Compartimento celular

• Tipo de célula

• Tecido

• Organismos

http://www.vls3d.com/links.html#section3; http://www.brenda-enzymes.org/;

http://www.drugbank.ca/; http://www.bindingdb.org/bind/index_original.jsp

Genotipagem:

identificar SNPs e genes associados a doenças.

• 1. Vasto no. de alvos

– Essenciais, não- essenciais para célula

• 2. Variação inter- indivíduos

Os cromossomos X e Y

Polimorfismo

• Genoma humano individual:

99% idêntico.

• 0,1% resultam em 3 milhões de polimorfismos!

– Expressão e função da proteína, modificadas

Metabolismo de fármacos: Enzima CYP2D6, população caucasiana.

HTS

Alvo

Genômica estrutural Alvo molecular com potencial terapêutico (“drugable”)

Ensaios por RMN e Cristalografia de raios X

Organização da Pesquisa em descoberta de fármacos

Ensaio

Validação do alvo Análise SAR Seleção do ligante

Análise RMN Análise raios X

Otimização dos compostos Seleção da substância

candidata a fármaco Ciclo SBDD SAR por NMR

O processo de descoberta genômico

Trypanosoma cruzi, cDNA 5', mRNA

1 gtgtgttgag aaaggaagcg aaaaaaataa aactaaaaaa aaaaggaggg ggagggggag 61 gggggggaca atgcttcaaa gggcatgtgt gagactggac ggtttaacgg ccgatacaac 121 ggcactggag gtggtagagt tcatgcagtg ttgtggcccg gcggtaaacg tctacgtgca 181 tgcagacccg gatagtgtaa cgggttacta tgcgctgatt gagtttaaat atgaaaaaag 241 tgttgaagtg gcagagttac tttctgggac gtctttccgt gggcatgagg taagtattac 301 gccgcttgat cgaggggctc atcgggcgaa tacagcattc ctgcaggcat tgagacccaa 361 aagagaatca aacaccattc acgggaacag atgcggaaaa tatggtgtat tgcggtaggc 421 tatgaattct gcanagaaga tttgg

Homo sapiens cromossomo 10 clone RP11-491H19, sequência completa (95%)

http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi http://www.genedb.org/Homepage/Tcruzi

Do genoma ao composto matriz

Do alvo a NCE

Obtenha a estrutura 3D do alvoObter a estrutura 3D do alvo

Construir modelos comparativos do alvo

Selecionar moléculas e gerar suas conformações

Docagem contra o alvo e o modelo

Selecionar 10 e testar contra o alvo específico

Identificar o ligante

Construir uma coleção dirigida de compostos Ensaio

Novos ligantes

identificados Complexo

ligante-receptor

Banco de dados proteómicos

analisado por LC-MS-MS

Quimiogenômica

• Princípio

– Ensaio de todos os compostos possíveis contra todos os alvos disponíveis

• Mundo real

– Ensaio de classes de compostos – Coleções enriquecidas de compostos – Coleções dirigidas a classes de proteínas

relacionadas

“the method defines the screening of congeneric chemical libraries against certain target families”

Famílias-alvo

• GPCR

• Receptores esteroidais

• Cinases

• Serino proteases

• etc...

Hopkins & Groom, NATURE REVIEWS | DRUG DISCOVERY 2002, 1, 727

five-compliant experimental and marketed drugs

Number of drug targets

https://www.ebi.ac.uk/chembldb/

Marketed small-molecule drug targets by biochemical class

Estratégias em quimiogenómica

1. Efeito farmacológico Analgésico

Anti-psicótico Anti-hipertensivo Anti-asmático Antibiótico Anticancer ...

2. Estrutura química Barbituratos Opiatos Penicilinas Esteróides

3. Alvo

Síntese de Histaminas ...

4. Sítio de ação Enzimas Receptores DNA ...

Características dos fármacos

Elemento Símbolo Número de átomos

%Total %Massa

Hidrogênio H 4,22 x 10²⁷ 62,89 Água 65 Oxigênio O 1,61 x 10²⁷ 23,99 Inorgânicos 1,5 Carbono C 8,03 x 10²⁶ 11,97 Lipídeos 12 Nitrogênio N 3,9 x 10²⁵ 0,58 Outros

orgânicos

0,4

Fósforo P 9,6 x 10²⁴ 0,14 Proteínas 20 Enxôfre S 2,6 x 10²⁴ 0,04 RNA 1

Cloro Cl 1,6 x 10²⁴ 0,02 DNA 0,1

Flúor F 8,3 x 10²² 0,001 Bromo Br 2,0 x 10²¹ 0,00005

Esqueletos comuns

Cl

NH O

O F₃C

OH O OH O O NH₂ OH CH₃ H

OH N(CH₃)₂ O

H H

Moléculas reativas contém heteroátomos (O, N, S, P, Halogêneos), ligações duplas e triplas

N

H NH

O O

O O

N⁺

O H

OH H C H₃

N S

O NH

CH₃ CH₃ O

O H

CO₂H NH₂

OH

O H

Fenobarbital Morfina

Amoxilina Estradiol

Mineração de banco de dados e a identificação de seus componentes estruturais

Fármaco

Esqueleto Cadeia

lateral

“Ponte”

Anéis

Estruturas e subestruturas

Comparação dos esqueletos mais comuns

Comparação das cadeias laterais mais

freqüentes

Privileged Structures

(drugs that have been derived from certain chemotypes)

Diazepam 1 (Valium) was one of the first tranquilizers and the prototype

of a series of other GABA receptor agonists, antagonists, and inverse agonists. The chemically closely related benzodiazepine Tifluadom 2 is a κ-opiate receptor agonist and a nanomolar cholecystokinin receptor antagonist

Privileged structures are scaffolds or substituents that often produce biologically active compounds, e.g., phenethylamines, diphenylmethyl and diphenylamine compounds (X = C or N, respectively), tricyclic compounds (X = C or N), benzodiazepines, arylpiperidines, steroids, spiropiperidines, and tetrazolobiphenyls (from the upper left to the lower right)

FRAGMENTOS PRIVILEGIADOS

CBS-113-A (COX, 5-lipoxigenase)

S N

NH OH

S N

NH NH2

N H

S N H S NH N

H₂

O O Famotidina (Antagonista histaminérgico H₂)

SUBSTRUTURAS PRIVILEGIADAS

N

N F

F

F S O O

NH₂

Celecoxib (COX-2) N

N

N N F

NH₂ SB-218655 (p38 MAP cinase)

Âncoras moleculares

Princípio de planejamento de uma coleção de alvos GPCR

NK, neurocinina. 5-HT, 5-hidroxitriptamina...

Tipos de coleções combinatórias

Coleções aleatórias

Quimiogenomica (família de alvos)

Coleções dirigidas

Fármaco-similar Diversidade esqueletos

Dirigidas ao alvo

Substituição diversa

Ligante-similar

Completa

Química combinatória clássica

HTS

Ligante

Físico-químicas

ADME in vitro

ADME in vivo

Toxidez

Escolha do Ligante Candidato a fármaco?

Confirmação da atividade

Ciclos de síntese Re-

planejamento

•Baixa fluidez

•Necessita ciclos de síntese

•Tempo elevado

•Caro

•Baixa capacidade predição

Coleção combinatória

■Potência

■Seletividade

■Físico-químicas

■Absorção

■Metabolismo

■Distribuição em tecidos

■Genotoxidez

Ligante otimizado Candidato

a fármaco

■Elevada fluidez

■Somente moléculas qualificadas são re-sintetizadas

■Relativamente rápida

■Econômica

■Seletiva

Coleção combinatória planejada

Artigos da Semana

1. Trends in the exploitation of novel drug targets Mathias Rask-Andersen, Markus Sällman Almén & Helgi B. Schiöth Nature Reviews Drug Discovery 10, 579-590 (August 2011) | doi:10.1038/nrd3478

2. Properties and Architecture of Drugs and Natural Products Revisited.

Kristina Grabowski and Gisbert Schneider Current Chemcial Biology, 2007, 1, 115-127 115 3. Property Distributions: Differences between Drugs, Natural Products, and Molecules from Combinatorial Chemistry

Miklos Feher and Jonathan M. Schmidt J. Chem. Inf. Comput. Sci., 2003, 43 (1), pp 218–227

DOI: 10.1021/ci0200467