Molecular design of bivalent ligands for GPCRs

Abstract

Els GPCRs són proteïnes amb set dominis transmembrana amb la capacitat de produir una cascada de senyalització intracel·lular en resposta a una àmplia gamma de molècules, com ara hormones, neurotransmissors, ions, fotons, odorants i altres. Aquests receptors tan versàtils constitueixen la família més gran de proteïnes de membrana en el genoma humà i estan implicats en la regulació de molts processos biològics fonamentals, com ara la visió, el gust, la percepció olfactiva o la neurotransmissió. Per tant, juguen un paper essencial en la fisiologia i les malalties. Malgrat l'èxit demostrat dels GPCRs com a dianes farmacològiques, no existeixen lligands útils per a la majoria d'ells, sobretot a causa de l’alta conservació evolutiva del lloc d’unió ortoestèric entre receptors estretament relacionats. Això dificulta, pels programes de descobriment de fàrmacs, el desenvolupament de compostos selectius i la prevenció d'efectes secundaris per unió a altres dianes. Les noves maneres d’enfocar la modulació dels GPCRs i solucionar aquest problema, inclouen el descobriment de lligands bitòpics que s’uneixen al mateix temps al lloc d’unió ortoestèric i a un lloc menys conservat a l'entrada del lloc ortoestèric, o lligands bivalents/multivalents que s’uneixen a (homo/hetero) oligòmers de GPCRs fisiològicament rellevants. Els lligands bitòpics i els lligands bivalents són entitats químiques úniques amb dos farmacòfors lligats covalentment per un espaiador apropiat. Pel disseny d'aquests compostos, és fonamental: (i) modelar computacionalment el sistema i estimar les distàncies potencials entre els farmacòfors; (ii) construir els possibles lligands bivalents mitjançant una síntesi química modular que tingui en compte les restriccions estructurals (punts d'ancoratge) i les propietats químiques; i (iii) determinar amb precisió el mode d’unió amb la combinació de mètodes computacionals i experimentals. Aquesta Tesi Doctoral es centra en comprendre les bases moleculars per unir GPCRs de forma selectiva implementant un marc computacional per guiar el disseny i l'avaluació de lligands bitòpics i lligands bivalents.

Los GPCRs son proteínas con siete dominios transmembrana con la capacidad de generar una cascada de señalización intracelular en respuesta a una amplia gama de moléculas, como hormonas, neurotransmisores, iones, fotones, olores y otros. Estos receptores tan versátiles constituyen la familia más grande de proteínas de membrana en el genoma humano y están implicados en la regulación de muchos procesos biológicos fundamentales, como la visión, el gusto, la percepción olfativa o la neurotransmisión. Por lo tanto, desempeñan un papel esencial en la fisiología y las enfermedades. A pesar del éxito demostrado de los GPCRs como dianas farmacológicas, no existen ligandos útiles para la mayoría de ellos, principalmente debido a la alta conservación evolutiva del sitio de unión ortostérico entre receptores estrechamente relacionados. Esto dificulta, para los programas de descubrimiento de fármacos, el desarrollo de compuestos selectivos y la prevención de efectos secundarios por unión a otras dianas. Las nuevas formas de abordar la modulación de los GPCRs y resolver este problema incluyen el descubrimiento de ligandos bitópicos que se unen simultáneamente al sitio de unión ortostérico y a un sitio menos conservado en la entrada del sitio ortostérico, o ligandos bivalentes/multivalentes que se unen a (homo/hetero) oligómeros de GPCRs fisiológicamente relevantes. Los ligandos bitópicos y los ligandos bivalentes son entidades químicas únicas con dos farmacóforos unidos covalentemente por un espaciador apropiado. Para el diseño de estos compuestos, es fundamental: (i) modelar computacionalmente el sistema y estimar las distancias potenciales entre los farmacóforos; (ii) construir los posibles ligandos bivalentes mediante una síntesis química modular que tenga en cuenta las restricciones estructurales (puntos de anclaje) y las propiedades químicas; y (iii) determinar con precisión el modo de unión mediante la combinación de métodos computacionales y experimentales. Esta Tesis Doctoral se centra en comprender las bases moleculares para unir selectivamente GPCRs implementando un marco computacional para guiar el diseño y la evaluación de ligandos bitópicos y ligandos bivalentes.

GPCRs are seven-transmembrane-domain proteins with the ability to produce an intracellular signaling cascade in response to a wide range of molecules, such as, hormones, neurotransmitters, ions, photons, odorants and others. These versatile receptors constitute the largest family of membrane proteins in the human genome and are involved in the regulation of many fundamental biological processes, such as, vision, taste, odor cell sensing or neurotransmission. As such, they play an essential role in physiology and disease. Despite the proven success of GPCRs as drug targets, useful ligands do not exist for most of them, due to the high evolutionary conservation of the orthosteric binding site between closely related receptors. This makes difficult, for drug discovery programs, to develop selective compounds and avoid off-target side effects. Novel approaches to modulate GPCRs, overcoming this problem, involve the discovery of bitopic ligands that bind the orthosteric site as well as a less conserved site at the entrance of the binding site, or bivalent/multivalent ligands that target physiologically relevant GPCR (homo/hetero)-oligomers. Bitopic and bivalent ligands are single chemical entities composed of two pharmacophore units, covalently linked by an appropriate spacer. For the design of these compounds, is paramount to: (i) computationally model the system and estimate potential distances between pharmacophores; (ii) build the potential bivalent ligands by a modular chemical synthesis considering the structural restrains (anchoring points) and chemical properties; and (iii) precisely determine the binding mode with the combination of computational and experimental methods. This Doctoral Thesis focusses on understanding the molecular basis to selectively target GPCRs by implementing a computational framework to guide the design and evaluation of bitopic and bivalent ligands.