SPARK案例 | 拜爾發現通過干擾RAS-SOS1相互作用能夠阻斷RAS激活的SOS1抑制劑

原文

Hillig RC, Sautier B, Schroeder J, et al. Discovery of potent SOS1 inhibitors that block RAS activation via disruption of the RAS–SOS1 interaction. Proc Natl Acad Sci. 2019;116(7):2551-2560. doi:10.1073/pnas.1812963116

前言

拜爾公司最近發表了一篇關于高效、選擇性SOS1抑制劑的文章,該抑制劑能夠通過干擾RAS-SOS1相互作用而阻斷RAS活化。在該文中,作者首先通過片段篩選與高通量篩選分別發現了片段分子F1與SOS1抑制劑化合物17。高通量篩選命中的化合物17結合于SOS1的主結合口袋(PDB:5OVF),而分子片段F1結合于主結合口袋旁邊的子結合口袋(PDB:6EPM)。F1與化合物17有部分疊合,然后作者將兩者的疊合部分刪除,用Spark的分子連接策略進行了虛擬篩選,合理地設計了可以連接F1與化合物17的連接臂,最后發現了化合物BAY-293,是一種KRAS-SOS1相互作用的強效、選擇性的抑制劑。我們對該文進行了綜述,與大家分享該文的關鍵方法與結論。

基于片段的篩選

拜耳的科研人員決定采取雙管齊下的方法:同時開展高通量篩選與和片段篩選。對一個含有3,000個片段的化合物庫篩選出了與KRAS-SOS1蛋白-蛋白相互作用位點結合并可在該位點誘導構象變化的片段。其通過觸發Phe890側鏈的旋轉,然后打開了與主結合口袋相鄰的新子結合口袋。

F1-SOS1 interation

Figure 1. F1-SOS1復合物晶體結構(PDB: 6EPM)

片段F1被選作為進一步優化的起點。 F1與SOS1復合物晶體結構(pdb:6epm,圖1)表明苯基部分與Phe890(Phe-out)發生 π-π 相互作用。氨甲基部分與Asp887和Tyr884的主鏈羰基形成氫鍵,并與Tyr884側鏈形成額外的陽離子-π 相互作用。

高通量篩選與初步的優化

拜爾的科研人員還對一個含300萬化合物的數據庫進行了高通量篩選,結果發現了化合物1(IC50=320nM,Figure 2.)

圖2 化合物1

Figure 2. 化合物1(IC50=320nM)

用吡唑基苯基取代化合物1中的萘基部分得到化合物17(圖3),顯示出對SOS1的良好活性(IC50 = 140nM)和改善的水溶性。

化合物17與SOS1復合物晶體結構(pdb:5ovf,圖3)解釋了作用模式:化合物17的喹唑啉骨架夾在His905和Tyr884之間(π-π 堆疊)。吡唑基苯基部分占據了由Leu901和Phe890(Phe-in)組成的疏水口袋中,并與Tyr884的側鏈有T-堆積相互作用。吡唑部分與Glu902形成水橋連的H-鍵。中心苯胺NH與Asn879的側鏈形成H-鍵。

化合物17的結構與預測的結合模式

Figure 3: 化合物17與SOS1SB的復合物晶體結構(PDB:5OVF)

用SPARK的分子連接策略將片段F1與化合物17的連接起來

由于片段篩選識別了尚未被高通量命中化合物結合的新的子口袋,拜爾的科研人員嘗試了使用Spark的配體連接方法:通過組合兩種配體來進一步提高活性。如圖4-A分析了化合物17(pdb:5ovf)和F1(pdb:6epm)晶體結構的疊加效果,表明這個策略是可行的。

將化合物17和F1疊合的芳基切除,作者用Spark進行了配體連接實驗(圖4-b,c)以確定合適的連接臂:使F1的四氫環戊[c]吡唑部分和17的氨基喹唑啉基團在SOS1的活性部位正確定位。在Spark給出的得分最高的連接臂中,噻吩連接臂被選中、合成、最后生物學測試發現是活性的。

連接臂的設計

Figure 4: Ligand-joining approach of fragment and HTS hits. A) Superimposition of the crystal structures of F1 bound to KRASG12C_SB–SOS1cat (SOS1 in gray, F1 and Phe890 with carbon atoms in magenta) and 17 bound to SOS1SB (17 and Phe890 shown; carbon atoms in green). B) Schematic depiction of the merging approach. C): Representation of F1 and 17 with respective fields from Cresset.

進一步優化發現BAY-293

對噻吩連接臂雜交出的苗頭化合物引入模擬F1片段與氨基側鏈氫鍵相互作用的極性部分(如OH,NH2)可以觸發Phe-out構象,導致發現了活性優化的化合物23(BAY-293,IC50=21nM)。 如圖5所示,化合物23的側鏈氨基通過與Asp887和Tyr884主鏈羰基形成H-鍵相互作用以及與Tyr884側鏈的陽離子-π相互作用與SOS1相互作用。

化合物23與SOS1的相互作用模式

Figure 5.化合物23與SOS1結合位點的相互作用模式(PDB: 5OVI)

進一步的篩選和抗增殖數據證明化合物23(BAY-293)是靶向KRAS-SOS1相互作用有效、選擇性的抑制劑,并且表明抑制GEF可能代表著靶向RAS驅動的腫瘤治療可行方法。

結論

拜耳的這篇論文展示了Spark方法的實用性。 除了作為一個極好的生物電子等排體基團替換之外,Spark的先進功能還包括易于使用的水分子替換方法、分子大環化、分子生長和分子連接。在拜爾的這個研究中,Spark建議了如何將占據蛋白結合位點不同部分的兩個不同分子連接起來,并將SAR從一個系列轉移到另一個系列,SPARK在其中起了至關重要的作用。

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