Quantitative structure-hydrophobicity relationships of molecular fragments and beyond

Quantitative structure-property relationship (QSPR) models were firstly established for the hydrophobic substituent constant (πX) using the theoretical descriptors derived solely from electrostatic potentials (EPSs) at the substituent atoms. The descriptors introduced are found to be related to hydrogen-bond basicity, hydrogen-bond acidity, cavity, or dipolarity/polarizability terms in linear solvation energy relationship, which endows the models good interpretability. The predictive capabilities of the models constructed were also verified by rigorous Monte Carlo cross-validation. Then, eight groups of meta- or para- disubstituted benzenes and one group of substituted pyridines were investigated. QSPR models for individual systems were achieved with the ESP-derived descriptors. Additionally, two QSPR models were also established for Rekker's fragment constants (foct), which is a secondary-treatment quantity and reflects average contribution of the fragment to logP. It has been demonstrated that the descriptors derived from ESPs at the fragments, can be well used to quantitatively express the relationship between fragment structures and their hydrophobic properties, regardless of the attached parent structure or the valence state. Finally, the relations of Hammett σ constant and ESP quantities were explored. It implies that σ and π, which are essential in classic QSAR and represent different type of contributions to biological activities, are also complementary in interaction site.

Structure-function relationships of the alpha1b-adrenergic receptor.

The alpha1b-adrenergic receptor (AR) is a member of the large superfamily of seven transmembrane domain (TMD) G protein-coupled receptors (GPCR). Combining site-directed mutagenesis of the alpha1b-AR with computational simulations of receptor dynamics, we have explored the conformational changes underlying the process of receptor activation, i.e. the transition between the inactive and active states. Our findings suggest that the structural constraint stabilizing the alpha1b-AR in the inactive form is a network of H-bonding interactions amongst conserved residues forming a polar pocket and R143 of the DRY sequence at the end of TMDIII. We have recently reported that point mutations of D142, of the DRY sequence and of A293 in the distal portion of the third intracellular loop resulted in ligand-independent (constitutive) activation of the alpha1b-AR. These constitutively activating mutations could induce perturbations resulting in the shift of R143 out of the polar pocket. The main role of R143 may be to mediate receptor activation by triggering the exposure of several basic amino acids of the intracellular loops towards the G protein. Our investigation has been extended also to the biochemical events involved in the desensitization process of alpha1b-AR. Our results indicate that immediately following agonist-induced activation, the alpha1b-AR can undergo rapid agonist-induced phosphorylation and desensitization. Different members of the G protein coupled receptor kinase family can play a role in agonist-induced regulation of the alpha1b-AR. In addition, constitutively active alpha1b-AR mutants display different phosphorylation and internalization features. The future goal is to further elucidate the molecular mechanism underlying the complex equilibrium between activation and inactivation of the alpha1b-AR and its regulation by pharmacological substances. These findings can help to elucidate the mechanism of action of various agents displaying properties of agonists or inverse agonists at the adrenergic system.

Dipeptidyl peptidase IV and its inhibitors: therapeutics for type 2 diabetes and what else?

The proline-specific dipeptidyl aminopeptidase IV (DPP IV, DPP-4, CD26), widely expressed in mammalians, releases X-Pro/Ala dipeptides from the N-terminus of peptides. DPP IV is responsible of the degradation of the incretin peptide hormones regulating blood glucose levels. Several families of DPP IV inhibitors have been synthesized and evaluated. Their positive effects on the degradation of the incretins and the control of blood glucose levels have been demonstrated in biological models and in clinical trials. Presently, several DPP IV inhibitors, the "gliptins", are approved for type 2 diabetes or are under clinical evaluation. However, the gliptins may also be of therapeutic interest for other diseases beyond the inhibition of incretin degradation. In this Perspective, the biological functions and potential substrates of DPP IV enzymes are reviewed and the characteristics of the DPP IV inhibitors are discussed in view of type 2 diabetes and further therapeutic interest.

Conception, synthèse et diversification de l'azaGly-Pro : un mime de tour beta, outil d'étude structure-activité : application au développement d'un nouvel agent tocolytique

Les accouchements prématurés constituent un problème médical majeur en constante augmentation et ce, malgré tous les efforts mis en œuvre afin de contrer le déclenchement des contractions avant terme. Cette thèse relate du ''design'' rationnel d'un nouvel agent thérapeutique (i.e., tocolytique) qui serait capable de 1) arrêter les contractions, et 2) prolonger la gestation. Pour ce faire, une nouvelle cible, la prostaglandine F2α et son récepteur ont été sélectionnés et le peptidomimétisme a été choisi afin de résoudre cette problématique. L'introduction contient un historique rapide de la conception à la synthèse (''drug design'') du peptide parent, le PDC113, premier peptide a avoir démontré des aptitudes tocolytiques suffisantes pour faire du peptidomimétisme. La deuxième partie de l'introduction présente les concepts du peptidomimétisme appliqués au PDC113 qui ont permis d'accéder au PDC113.824, inhibiteur allostérique du récepteur de la prostaglandine F2α, et explique comment ce mime nous a permis d'élucider les mécanismes de signalisation intracellulaire impliqués dans la contraction musculaire lisse. Cette thèse présente la conception, la synthèse et l'étude structure-activité de mimes de repliement de tour β au sein du mime peptidique original (PDC113.824) dans lequel nous avons remplacé l'azabicycloalkane central (l'indolizidin-2-one) par une série d'autres azabicycloalcanes connus et des acides aza-aminés dont nous avons élaboré la synthèse. Dans un premier temps, une nouvelle stratégie de synthèse en solution de l'aza-glycyl-proline à partir de la diphényle hydrazone et du chloroformate de p-nitrophényle a été réalisée. Cette stratégie a permis d'éliminer les réactions secondaires de cyclisation intramoléculaires communément obtenues lors de l'introduction d'acides aza-aminés avec les protections traditionnelles de type carbamate en présence de phosgène, mais aussi de faciliter l'accès en une étape à des dérivés peptidiques du type aza-glycyle. L'élongation de l'aza-glycyl-proline en solution nous a permis d'accéder à un nouveau mime tetrapeptidique du Smac, un activateur potentiel de l'apoptose au sein de cellules cancéreuses. Par la suite, nous avons développé une stratégie de diversification sélective de l'azote α du résidu azaglycine en utilisant différents types d'halogénures d'alkyle en présence de tert-butoxyde de potassium. Afin de valider le protocole d'alkylation de l'aza-dipeptide, différents halogénures d'alkyle ont été testés. Nous avons également démontré l'utilité des aza-dipeptides résultants en tant que ''building block'' afin d'accéder à une variété d'azapeptides. En effet, l'aza-dipeptide a été déprotégée sélectivement soit en N-terminal soit en C-terminal, respectivement. D'autre part, la libération de l'amine de l'ester méthylique de l'aza-alkylglycyl-proline a conduit à une catégorie de composés à potentiel thérapeutique, les azadicétopipérazines (aza-DKP) par cyclisation intramoléculaire. Enfin, notre intérêt quant au développement d'un nouvel agent tocolytique nous a amené à développer une nouvelle voie de synthèse en solution du PDC113.824 permettant ainsi d'élucider les voies de signalisation intracellulaires du récepteur de la prostaglandine F2α. Afin de valider l'importance de la stéréochimie et d'étudier la relation structure/ activité du mime, nous avons remplacé l'indolizidin-2-one (I2aa) centrale du PDC113.824 par une série d'autres azabicycloalcanes et azadipeptides. Les azabicycloalcanes D-I2aa, quinolizidinone, et indolizidin-9-one ont été synthétisés et incorporés au sein du dit peptide ne donnant aucune activité ni in vitro ni ex vivo, validant ainsi l'importance du tour β de type II' pour le maintien de l'activité biologique du PDC113.824. Finalement, l'insertion d'une série de dérivés aza(alkyl)glycyl-prolyles a mené à de nouveaux inhibiteurs allostériques du récepteur de la PGF2α, l'un contenant l'azaglycine et l'autre, l'azaphénylalanine. Cette thèse a ainsi contribué, grâce à la conception et l'application de nouvelles méthodes de synthèse d'aza-peptides, au développement de nouveaux composés à potentiel thérapeutique afin d'inhiber le travail prématuré.

Mécanismes d'action des antioestrogènes totaux

Le cancer du sein est le cancer qui a la plus forte fréquence au Canada. En 2012, on estime que 23 200 nouveaux cas de cancer du sein seront diagnostiqués. Deux tiers des tumeurs mammaires expriment ou surexpriment le récepteur des oestrogènes α (ERα). De même, les oestrogènes sont importants pour la croissance de ces tumeurs. La présence des récepteurs hormonaux est un critère qui détermine le choix de la thérapie; à cet égard, le ciblage des récepteurs des oestrogènes par les antioestrogènes a pour but d’inactiver ces récepteurs et diminuer leur contribution à la croissance tumorale. Les antioestrogènes sont des inhibiteurs compétitifs de ERα. Tamoxifene est le médicament le plus utilisé pour traiter les tumeurs mammaires ER+ de tous les stades, avant ou après la ménopause. Tamoxifene est antioestrogène partiel ou SERM qui a un profile mixte d’activités agonistes et antagonistes. Fulvestrant ou ICI 182, 780 est un antioestrogène de type total ou SERD dépourvu de toute activité agoniste. Ce composé est utilisé en clinique chez les femmes après la ménopause ayant des tumeurs mammaires avancées. Fulvestrant constitue, donc, une deuxième ligne thérapeutique en cas de rechute après à un traitement par Tamoxifene. Afin de comprendre le potentiel thérapeutique de Fulvestrant, il est primordial d’étudier son impact sur ERα. Actuellement, la polyubiquitination et la dégradation de ERα sont les mécanismes les plus connus pour expliquer l’inactivation de ERα par Fulvestrant. Par ailleurs, en utilisant des modèles cellulaires ER+ et ER-; nous avons montré que les antioestrogènes totaux induisent une insolubilité de ERα indépendamment de leur capacité à induire sa dégradation. L’insolubilité corrèle avec l’association de ERα avec la matrice nucléaire et avec l’inhibition de sa transactivation. L’hélice H12 du domaine de liaison du ligand joue un rôle important dans l’insolubilité et l’inactivation de ERα par les antioestrogènes totaux. Par ailleurs, les antioestrogènes totaux se distinguent par leur capacité à induire la SUMOylation de ERα par SUMO1 et SUMO2/3. La SUMOylation est rapide et précède la dégradation de ERα dans cellules ER+. À l’aide de dérivés de l’antioestrogène total ICI 164, 384, nous avons montré que la chaine latérale des antioestrogènes totaux est à la base de l’induction de la SUMOylation et de l’inactivation de ERα. De plus, la SUMOylation semble être une marque d’inhibition, car la déSUMOylation restaure une activité de ERα en présence des antioestrogènes totaux. L’hélice H12 du LBD et le domaine de liaison à l’ADN sont requis pour l’induction de la SUMOylation. La recherche de protéines impliquées dans l’inactivation et dans la SUMOylation a permis d’identifier le facteur de remodelage de la chromatine ACF dans le même complexe que ERα. De manière similaire à la SUMOylation, le recrutement de ACF est précoce et constitue une propriété spécifique des antioestrogènes totaux. D’autre part, Fulvestrant induit le recrutement de ACF au niveau du promoteur du gène cible des oestrogènes pS2, ce qui suggère une contribution du remodelage de la chromatine dans les mécanismes d’action des antioestrogènes totaux. La surexpression de la DéSUMOylase SENP1 abolit le recrutement de ACF ce qui indique un rôle de la SUMOylation dans le recrutement de ACF. De même, l’hélice H12 du LBD de ERα constitue un lien entre l’inactivation de ERα et le recrutement de ACF. L’insolubilité, la SUMOylation et l'interaction du complexe ACF sont le reflet des mécanismes d’action des antioestrogènes totaux. Ces observations peuvent être utilisées comme des critères fonctionnels pour identifier d’autres composés avec de meilleures propriétés pharmacologiques que Fulvestrant.

Étude structure/fonction des cotransporteurs Na+/glucose

Cette thèse porte sur l’étude de la relation entre la structure et la fonction chez les cotransporteurs Na+/glucose (SGLTs). Les SGLTs sont des protéines membranaires qui se servent du gradient électrochimique transmembranaire du Na+ afin d’accumuler leurs substrats dans la cellule. Une mise en contexte présentera d’abord un bref résumé des connaissances actuelles dans le domaine, suivi par un survol des différentes techniques expérimentales utilisées dans le cadre de mes travaux. Ces travaux peuvent être divisés en trois projets. Un premier projet a porté sur les bases structurelles de la perméation de l’eau au travers des SGLTs. En utilisant à la fois des techniques de modélisation moléculaire, mais aussi la volumétrie en voltage imposé, nous avons identifié les bases structurelles de cette perméation. Ainsi, nous avons pu identifier in silico la présence d’une voie de perméation passive à l’eau traversant le cotransporteur, pour ensuite corroborer ces résultats à l’aide de mesures faites sur le cotransporteur Na/glucose humain (hSGLT1) exprimé dans les ovocytes. Un second projet a permis d’élucider certaines caractéristiques structurelles de hSGLT1 de par l’utilisation de la dipicrylamine (DPA), un accepteur de fluorescence dont la répartition dans la membrane lipidique dépend du potentiel membranaire. L’utilisation de la DPA, conjuguée aux techniques de fluorescence en voltage imposé et de FRET (fluorescence resonance energy transfer), a permis de démontrer la position extracellulaire d’une partie de la boucle 12-13 et le fait que hSGLT1 forme des dimères dont les sous-unités sont unies par un pont disulfure. Un dernier projet a eu pour but de caractériser les courants stationnaires et pré-stationaires d’un membre de la famille des SGLTs, soit le cotransporteur Na+/myo-inositol humain hSMIT2 afin de proposer un modèle cinétique qui décrit son fonctionnement. Nous avons démontré que la phlorizine inhibe mal les courants préstationnaires suite à une dépolarisation, et la présence de courants de fuite qui varient en fonction du temps, du potentiel membranaire et des substrats. Un algorithme de recuit simulé a été mis au point afin de permettre la détermination objective de la connectivité et des différents paramètres associés à la modélisation cinétique.

Quantitative structure-activity relationships for a series of inhibitors of cruzain from Trypanosoma cruzi: Molecular modeling, CoMFA and CoMSIA studies

Human parasitic diseases are the foremost threat to human health and welfare around the world. Trypanosomiasis is a very serious infectious disease against which the currently available drugs are limited and not effective. Therefore, there is an urgent need for new chemotherapeutic agents. One attractive drug target is the major cysteine protease from Trypanosoma cruzi, cruzain. In the present work, comparative molecular field analysis (CoMFA) and comparative molecular similarity indices analysis (CoMSIA) studies were conducted on a series of thiosemicarbazone and semicarbazone derivatives as inhibitors of cruzain. Molecular modeling studies were performed in order to identify the preferred binding mode of the inhibitors into the enzyme active site, and to generate structural alignments for the three-dimensional quantitative structure-activity relationship (3D QSAR) investigations. Statistically significant models were obtained (CoMFA. r(2) = 0.96 and q(2) = 0.78; CoMSIA, r(2) = 0.91 and q(2) = 0.73), indicating their predictive ability for untested compounds. The models were externally validated employing a test set, and the predicted values were in good agreement with the experimental results. The final QSAR models and the information gathered from the 3D CoMFA and CoMSIA contour maps provided important insights into the chemical and structural basis involved in the molecular recognition process of this family of cruzain inhibitors, and should be useful for the design of new structurally related analogs with improved potency. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Classical and fragment-based hologram structure-activity relationships for a series of analgesic cyclic imides

Cyclic imides have been widely employed in drug design research due to their multiple pharmacological and biological properties. In the present study, two-dimensional quantitative structure-activity relationship (2D QSAR) studies were conducted on a series of potent analgesic cyclic imides using both classical and hologram QSAR (HQSAR) methods, yielding significant statistical models (classical QSAR, q(2) = 0.80; HQSAR, q(2) = 0.84). The models were then used to evaluate an external data test, and the predicted values were in good agreement with the experimental results, indicating their consistency for untested compounds.

Calculating Flash Point Numbers from Molecular Structure: An Improved Method for Predicting the Flash Points of Acyclic Alkanes

We report a novel method for calculating flash points of acyclic alkanes from flash point numbers, N(FP), which can be calculated from experimental or calculated boiling point numbers (Y(BP)) with the equation N(FP) = 1.020Y(BP) - 1.083 Flash points (FP) are then determined from the relationship FP(K) = 23.369N(FP)(2/3) + 20.010N(FP)(1/3) + 31.901 For it data set of 102 linear and branched alkanes, the correlation of literature and predicted flash points has R(2) = 0.985 and an average absolute deviation of 3.38 K. N(FP) values can also be estimated directly from molecular structure to produce an even closer correspondence of literature and predicted FP values. Furthermore, N(FP) values provide a new method to evaluate the reliability of literature flash point data.

Relation between antioxidant activity and electronic structure of Phenols

We describe a new physicochemical descriptor of the antioxidant activity of phenols, the energy difference between the two highest occupied molecular orbitals, which we believe will improve quantitative structure-activity relationship studies about these compounds. (C) 2003 Wiley Periodicals, Inc.

Structure of thrombin complexed with selective non-electrophilic inhibitors having cyclohexyl moieties at P1

The crystal structures of five new non-electrophilic β-strand-templated thrombin active-site inhibitors have been determined bound to the enzyme. Four co-crystallize with hirugen and inhibitor isomorphously to produce thrombin-hirugen crystals (monoclinic, space group C2), while one co-crystallizes in the hexagonal system, space group P65. A 1,4-substituted cyclohexyl moiety is conserved at the P1 position of all the inhibitors, along with a fused hetero-bicyclic five- and six-membered ring that occupies the P2 site. Amino, amidino and aminoimidazole groups are attached to the cyclohexyl ring for recognition at the S1 specificity site, while benzylsulfonyl and diphenyl groups enhance the binding at the S3 subsite. The cyclohexyl groups at the P1 positions of three of the inhibitors appear to be in the energetically favored chair conformation, while the imidazole-substituted cyclohexyl rings are in a boat conformation. Somewhat unexpectedly, the two cyclohexyl-aminoimidazole groups bind differently in the specificity site; the unique binding of one is heretofore unreported. The other inhibitors generally mimic arginyl binding at S1. This group of inhibitors combines the nonelectrophilicity and selectivity of DAPA-like compounds and the more optimal binding features of the S1-S3 sites of thrombin for peptidic molecules, which results in highly potent (binding constants 12 nM-16 pM, one being 1.1 μM) and selective (ranging from 140 to 20 000 times more selective compared with trypsin) inhibitors of thrombin. The binding modes of these novel inhibitors are correlated with their binding constants, as is their selectivity, in order to provide further insight for the design of therapeutic antithrombotic agents that inhibit thrombin directly at the active site.

Kinetics and crystal structure of human purine nucleoside phosphorylase in complex with 7-methyl-6-thio-guanosine

Purine nucleoside phosphorylase (PNP) catalyzes the reversible phosphorolysis of nucleosides and deoxynucleosides, generating ribose 1-phosphate and the purine base, which is an important step of purine catabolism pathway. The lack of such an activity in humans, owing to a genetic disorder, causes T-cell impairment, and drugs that inhibit this enzyme may have the potential of being utilized as modulators of the immunological system to treat leukemia, autoimmune diseases, and rejection in organ transplantation. Here, we describe kinetics and crystal structure of human PNP in complex with 7-methyl-6-thio-guanosine, a synthetic substrate, which is largely used in activity assays. Analysis of the structure identifies different protein conformational changes upon ligand binding, and comparison of kinetic and structural data permits an understanding of the effects of atomic substitution on key positions of the synthetic substrate and their consequences to enzyme binding and catalysis. Such knowledge may be helpful in designing new PNP inhibitors. © 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Estrutura e função de mastoparanos dos venenos de vespas

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The correlation between electronic structure and antimalarial activity of tetrahydropyridines

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Structure- and Ligand-Based Structure-Activity Relationships for a Series of Inhibitors of Aldolase

Aldolase has emerged as a promising molecular target for the treatment of human African trypanosomiasis. Over the last years, due to the increasing number of patients infected with Trypanosoma brucei, there is an urgent need for new drugs to treat this neglected disease. In the present study, two-dimensional fragment-based quantitative-structure activity relationship (QSAR) models were generated for a series of inhibitors of aldolase. Through the application of leave-one-out and leave-many-out cross-validation procedures, significant correlation coefficients were obtained (r(2) = 0.98 and q(2) = 0.77) as an indication of the statistical internal and external consistency of the models. The best model was employed to predict pK(i) values for a series of test set compounds, and the predicted values were in good agreement with the experimental results, showing the power of the model for untested compounds. Moreover, structure-based molecular modeling studies were performed to investigate the binding mode of the inhibitors in the active site of the parasitic target enzyme. The structural and QSAR results provided useful molecular information for the design of new aldolase inhibitors within this structural class.