Characterization of protein-ligand interactions : the role of thermodynamic and structural data in the drug discovery process

Abstract

Comparing biological activities and thermodynamic profiles obtained for one compound toward proteins, differing only in few residues is a promising strategy to increase the knowledge of protein-ligand interactions and active site topologies thereby enabling rational drug design. For this purpose, wild type proteins and their mutants carrying a set of point mutations can be used. Such an approach was applied in the present study to guide the development of small-molecule antagonists targeting PqsR, a novel target to limit Pseudomonas aeruginosa pathogenicity. It resulted in two chemically divers fragments with antagonistic activity and provided insights into their binding modes. The latter can be used to assist fragment optimization and therefore the identified PqsR antagonists are promising scaffolds for further drug design efforts against this important pathogen. Alternatively, proteins from various species, which are highly conserved in sequence and differ only in few residues, might be considered. This line of attack was also utilized employing human and marmoset monkey 17β-HSD1, a promising target for the treatment of estrogen-dependent diseases. By means of in silico methods a better understanding of 17β-HSD1 active site topologies and inhibitor binding modes was achieved that guided the elaboration of a lead compound. The described strategy was successfully applied for hit identification and lead optimization reflecting its benefit in drug design.

Die möglichst genaue Kenntnis der räumlichen Gestalt der Ligand Bindungsstelle und der damit verbundenen Protein-Ligand-Wechselwirkungen ist eine Voraussetzung für rationales Wirkstoffdesign. Eine aussichtsreiche Strategie um diese Informationen zu erhalten, ist es biologische/biophysikalische Daten einer Verbindung gegenüber Proteinen zu vergleichen, die sich nur in wenigen Aminosäuren unterscheiden. Einerseits können dazu Wildtyp und Mutanten genutzt werden, was in dieser Studie zur Entwicklung von PqsR Antagonisten geführt hat. PqsR ist ein neues Target zur Limitierung der Pseudomonas aeruginosa Pathogenität. Zwei chemisch verschiedene, antagonistische Fragmente wurden entdeckt und Aufschlüsse über deren Bindungsmodi erhalten, die zur weiteren Optimierung genutzt werden können. Somit stellen die entdeckten Liganden vielversprechende Grundgerüste zur weiteren Wirkstoffentwicklung gegen dieses relevante Pathogen dar. Alternativ können hochkonservierte Proteine verschiedener Spezies in Betracht gezogen werden. Unter Verwendung von humaner und marmoset 17β-HSD1, einem erfolgversprechenden Target zur Behandlung estrogenabhängiger Erkrankungen, wurden durch in silico Methoden das aktive Zentrum der 17β-HSD1 sowie Bindungsmodi ausgewählter Hemmstoffe untersucht. Anhand der erstellten Modelle wurde eine Leitverbindung weiterentwickelt. Diese Strategie wurde erfolgreich für das Wirkstoffdesign bei der Hit Identifizierung sowie der Lead Optimierung angewendet.