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Quimiogenômica na identificação e validação de biomacromoléculas
Carlos MontanariIQSC, 2011
Brinster, 1982
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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
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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
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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
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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
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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.
HTSAlvo
Genômica estrutural
Alvo molecularcom potencialterapêutico(“drugable”)
Ensaios por RMN eCristalografia de raios X
Organização da Pesquisa em descoberta
de fármacos
Ensaio
Validação do alvoAnálise SAR
Seleção do ligante
Análise RMNAnálise raios X
Otimização dos compostos
Seleção da substância candidata a fármaco
Ciclo SBDDSAR por NMR
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O processo de descoberta genômico
Trypanosoma cruzi, cDNA 5', mRNA
1 gtgtgttgag aaaggaagcg aaaaaaataa aactaaaaaa aaaaggaggg ggagggggag61 gggggggaca atgcttcaaa gggcatgtgt gagactggac ggtttaacgg ccgatacaac121 ggcactggag gtggtagagt tcatgcagtg ttgtggcccg gcggtaaacg tctacgtgca181 tgcagacccg gatagtgtaa cgggttacta tgcgctgatt gagtttaaat atgaaaaaag241 tgttgaagtg gcagagttac tttctgggac gtctttccgt gggcatgagg taagtattac301 gccgcttgat cgaggggctc atcgggcgaa tacagcattc ctgcaggcat tgagacccaa361 aagagaatca aacaccattc acgggaacag atgcggaaaa tatggtgtat tgcggtaggc421 tatgaattct gcanagaaga tttgg
Homo sapiens cromossomo 10 clone RP11-491H19, sequência completa (95%) http://ca.expasy.org/
http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgihttp://www.genedb.org/Homepage/Tcruzi
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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
EnsaioNovos ligantes
identificados Complexo
ligante-receptor
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Banco de dados proteómicos
analisado por LC-MS-MS
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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...
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Hopkins & Groom, NATURE REVIEWS | DRUG DISCOVERY 200 2, 1, 727
The molecular targets of current rule-of five-compliant experimental and marketed
drugs
Number of drug targets
https://www.ebi.ac.uk/chembldb/
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Marketed small-molecule drug targets by biochemical class
Estratégias em quimiogenómica
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1. Efeito farmacológicoAnalgésicoAnti-psicóticoAnti-hipertensivoAnti-asmáticoAntibióticoAnticancer...
2. Estrutura químicaBarbituratosOpiatosPenicilinasEsteróides
3. AlvoSíntese de Histaminas...
4. Sítio de açãoEnzimasReceptoresDNA...
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
OHCH3 H
OH
N(CH3)2OH
H
Moléculas reativas contém heteroátomos(O, N, S, P, Halogêneos), ligações duplas e triplas
NH NH
O O
OO
N+
OH
OH
HCH3
N
S
O
NH
CH3
CH3
O
OHCO2H
NH2
OH
OH
Fenobarbital Morfina
Amoxilina Estradiol
Mineração de banco de dados e a identificação
de seus componentes estruturais
Fármaco
EsqueletoCadeia
lateral
“Ponte”Anéis
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Estruturas e subestruturasComparação dos esqueletos mais comuns
Comparação das cadeias laterais mais
freqüentes
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Privileged Structures(drugs that have been derived
from certain chemotypes)
Diazepam 1 (Valium) was one of the first tranquiliz ers and the prototypeof a series of other GABA receptor agonists, antago nists, and inverse agonists. The chemically closely related benzodiazepine Tifluadom 2 is a κ-opiate receptor agonist and a nanomolar cholecystokinin receptor an tagonist
Privileged structures are scaffolds or substituents that often producebiologically active compounds, e.g., phenethylamine s, diphenylmethyl anddiphenylamine compounds (X = C or N, respectively), tricyclic compounds(X = C or N), benzodiazepines, arylpiperidines, ste roids, spiropiperidines, and tetrazolobiphenyls (from the upper left to the lower right)
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FRAGMENTOS PRIVILEGIADOS
CBS-113-A(COX,
5-lipoxigenase)
S
N
NH
OH
S
N
NH
NH2NH
S
NH
S NHNH2
OO Famotidina(Antagonista
histaminérgico H2)
SUBSTRUTURAS PRIVILEGIADAS
NN
F
F
F
SOONH2
Celecoxib(COX-2)
N
N
NN
F
NH2
SB-218655(p38 MAP cinase)
Âncoras moleculares
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Princípio de planejamento de uma coleção de alvos GPCR
NK, neurocinina. 5-HT, 5-hidroxitriptamina...
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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 clássicaHTS
Ligante
Físico-químicas
ADME in vitro
ADME in vivo
Toxidez
Escolha do Ligante Candidato a fármaco?
Confirmaçãoda
atividade
Ciclos de síntese
Re-planejamento
•Baixa fluidez
•Necessita ciclos de síntese
•Tempo elevado
•Caro
•Baixa capacidade predição
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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 targetsMathias Rask-Andersen, Markus Sällman Almén & Helgi B. Schiöth
Nature Reviews Drug Discovery 10, 579-590 (August 2 011) | 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 Drug s, Natural Products, and Molecules from Combinatorial Chemistry
Miklos Feher and Jonathan M. SchmidtJ. Chem. Inf. Comput. Sci., 2003, 43 (1), pp 218–22 7
DOI: 10.1021/ci0200467