At the intersection of medicinal chemistry and chemical biology : development of chemical probes for target inhibition, degradation, and labeling

Abstract

Chemical probes are important tools for target identification and validation studies that guide drug discovery and development. In this thesis, the development of chemical probes for therapeutically relevant protein targets is described. To achieve this, a wide variety of medicinal chemistry approaches were applied and include covalent and reversible protein inhibitors as well as targeted protein degradation strategies. In the main part (Part II), three chemical probe discovery projects, targeting the kinases PI5P4K and CDK12/13, and the isomerase Pin1, are presented. For all three protein targets, biotin/desthiobiotin-labeled probes of the covalent protein binders were developed and enabled the investigation of the target inhibitors’ scaffolds as potential leads for further drug development purposes or served to investigate target biology. In case of the PI5P4K inhibitors, two novel scaffolds were identified, starting from screening hits or kinase inhibitor off-targets. Medicinal chemistry optimization efforts led to improved potency and selectivity properties of initial hit compounds in vitro and in cellulo. In the Appendix (Part III), the development of unpublished probes is discussed, including a fragment-based probe targeting Pin1, a PAL-inspired probe to investigate the bacterial target MraY, and approaches to the development of PI5P4K- and Pin1-targeting protein degraders. While the MraY-targeting probe and the degrader molecules require further optimization, the presented work gives important insights into the development of these kinds of probes.

Chemische Sonden stellen essentielle Werkzeuge für Zielproteinindentifikations- und Valdierungsstudien in der Entdeckung und Entwicklung von Arzneistoffen dar. In dieser Doktorarbeit wird die Entwicklung von chemischen Sonden für eine Reihe therapeutisch relevanter Zielproteine beschrieben. Hierfür wurden vielfältige medizinisch-chemische Ansätze, einschließlich kovalenter und reversibler Proteininhibitoren, sowie Strategien zum gezielten Proteinabbau, angewandt. Im Hauptteil (Part II) werden drei Sondenentwicklungsprojekte für die Inhibierung der Kinasen PI5P4K und CDK12/13, sowie der Isomerase Pin1 präsentiert. Für alle Zielproteine wurden Biotin/Desthiobiotin-markierte Sonden auf der Grundlage der entsprechenden Proteininhibitoren kreiert, welche zur Identifizierung der chemischen Verbindungen als potenzielle Leitstrukturen oder zur Untersuchung der Zielproteinbiologie dienten. Ausgehend von Screeninghits oder Off-targeteffekten von Kinaseninhibitoren konnten darüber hinaus zwei neuartige chemische Strukturserien als PI5P4K-Inhibitoren identifiziert werden. Medizinisch-chemische Optimierungen führten hier zu verbesserter Potenz und Selektivität der initialen Hits in vitro und in cellulo. Im Appendix (Part III) werden unpublizierte Sondenentwicklungsprojekte für eine Fragment-basierte Pin1-inhibierende Sonde, eine PAL-abgeleitete Sonde zur Untersuchung des bakteriellen Proteins MraY, sowie die Ansätze zur Entwicklung von PI5P4K- und Pin1- abbauenden Verbindungen diskutiert. Obwohl die MraY-inhibierende Sonde und die proteinabbauenden Verbindungen weitere Optimierung benötigen, gibt die hier dargelegte Arbeit wertvolle Einblicke in die Entwicklung dieser Sonden.