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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