Biophysical and structural approaches to discover small-molecule modulators of challenging targets in cancer

Abstract

Advances in structural and molecular biology have increased the knowledge of relevant and undrugged targets and have favoured the rational development of novel drugs through structure- based drug design (SBDD). Computational techniques are widely employed in SBDD, resulting as inexpensive, rapid and efficient tools for hit discovery and optimization. Hits from computational approaches have then to be assessed experimentally. Biophysical techniques are ideal candidates for hit validation, since they can directly study compound binding to a particular target. Biophysical techniques can provide deep knowledge of target-compound interactions ranging from binding assessment to binding site determination or information about the atomic structure of the target- compound complex. Overall, the combination of computational and biophysical techniques is a strategy that can enhance our ability to modulate challenging and undruggable targets in early-stage drug discovery.

E3 ligases have been described as relevant targets in cancer. Besides, the irruption of the targeted protein degradation technology has situated this target family in the forefront. In the present thesis we have applied a structure-based approach in order to study E3 ligases ligandability. This study has provided valuable information of the binding preferences of the studied proteins, while illustrating the possibility to increase the number of binders of these challenging family. Being FBW7 E3 ligase one of the most mutated proteins in cancer, we have used the previous information to identify and characterize small molecules that bind to this E3 ligase by combining computational and biophysical techniques. These small molecules could be a point of departure to develop drugs able to modulate this E3 ligase.

TET2 is a tumour suppressor that losses its function by mutations or gene repression in different types of cancer, particularly hematologic. Besides, inhibition of TET2 has been described to have a therapeutic interest due to its implication to cancer relapse. Potential TET2 modulators have been developed following a structure-based approach. In the present thesis we have developed and characterized TET2 modulators applying biophysical techniques.

Bromodomains have been recently described for their interest in cancer. Specifically, BRD4 has also been used as a test system for computational techniques due to its ease of production and constant behaviour. Computer-aided drug design faces several challenges, being the prediction of solvation preferences and fragment evolution two of them. On one hand, we have applied computational tools to study the solvation preferences of BRD4 BD1. With that information, we have developed and characterized novel chemical entities. On the other hand, fragments interacting with BRD4 BD1 have been identified by an automated fragment evolution platform developed in our group. In the present thesis, interactions of the evolved fragments with BRD4 BD1 have been characterized. The resulting information has helped to validate the applied computational tools and could be used to develop novel BRD4-based therapies.

Els avenços en biologia estructural i molecular han augmentat el coneixement de proteïnes terapèuticament rellevants i sense fàrmacs descrits. Aquest fet ha afavorit el desenvolupament racional de nous fàrmacs a través del disseny de fàrmacs basat en estructura. Les tècniques computacionals s’utilitzen àmpliament en aquest tipus d’estratègies, ja que són metodologies econòmiques, ràpides i eficients pel descobriment i l’optimització de molècules petites. Les molècules petites resultants han de ser avaluades experimentalment. Les tècniques biofísiques són ideals per això, ja que permeten l’estudi directe de la seva unió amb la proteïna d’interès. Aquestes poden proporcionar un ampli coneixement de les interaccions molècula petita – proteïna que van des de l’avaluació de la unió, fins a la determinació de informació sobre l’estructura atòmica del complex molècula petita – proteïna. La combinació de tècniques computacionals i biofísiques permet la identificació de molècules petites que s’uneixen a proteïnes d’interès terapèutic, sent una estratègia de rellevància en les fases inicials del descobriment de fàrmacs.

Les E3 ligases han estat descrites com a dianes rellevants pel càncer. A més, en els últims anys aquesta família de proteïnes ha guanyat rellevància per la seva implicació en la tecnologia de degradació de proteïnes. En aquesta tesi, hem aplicat un enfocament basat en estructura per estudiar les preferències d’unió d’aquesta família de proteïnes, com a punt de partida pel desenvolupament de molècules petites que hi puguin interaccionar. En ser FBW7 una de les E3 ligases més mutades en càncer, hem utilitzat la informació anterior per identificar i caracteritzar molècules petites que s’uneixen a aquesta E3 ligasa combinant tècniques computacionals i biofísiques. Aquestes podrien ser el punt de partida per desenvolupar fàrmacs capaços de modular FBW7.

TET2 és un una proteïna descrita com a supressor tumoral, la qual perd la seva funció per mutacions o repressió gènica en diferents tipus de càncer, particularment hematològic. A més, s’ha descrit que la inhibició del TET2 també presenta un interès terapèutic, degut a la seva implicació en la recaiguda del càncer. Molècules petites amb potencial de modular TET2 s'han desenvolupat seguint un disseny basat en estructura. En aquesta tesi hem deselvolupat i caracteritzat aquests moduladors aplicant tècniques biofísiques.

Els bromodomains han estat recentment relacionats amb el càncer. En concret, BRD4 també s'ha utilitzat com a sistema de prova de tècniques computacionals, a causa de la seva facilitat de producció i comportament constant. El disseny de medicaments assistits per ordinador s’enfronta a diversos reptes, sent la predicció de preferències de solvatació i l’evolució del fragment dos d’ells. Per una banda, hem aplicat eines computacionals per estudiar les preferències de solvatació de BRD4 BD1. Amb aquesta informació, hem desenvolupat i caracteritzat noves molècules petites. D’altra banda, fragments que interactuen amb BRD4 BD1 s’han identificat mitjançant una plataforma automatitzada d’evolució de fragments desenvolupada al nostre grup. En aquesta tesi, s’han caracteritzat les interaccions dels fragments evolucionats amb BRD4 BD1. La informació resultant ha ajudat a validar les eines computacionals aplicades i podria ser utilitzada per desenvolupar noves teràpies basades en BRD4.