Computational Approaches for the Characterization of the Structure and Dynamics of G Protein-Coupled Receptors: Applications to Drug Design

G Protein-Coupled Receptors (GPCRs) constitute the most pharmacologically relevant superfamily of proteins. In this thesis, a computational pipeline for modelling the structure and dynamics of GPCRs is presented, properly combined with experimental collaborations for GPCR drug design. These include the discovery of novel scaffolds as potential antipsychotics, and the design of a new series of A3 adenosine receptor antagonists, employing successful combinations of structure- and ligand-based approaches. Additionally, the structure of Adenosine Receptors (ARs) was computationally assessed, with implications in ligand affinity and selectivity. The employed protocol for Molecular Dynamics simulations has allowed the characterization of structural determinants of the activation of ARs, and the evaluation of the stability of GPCR dimers of CXCR4 receptor. Finally, the computational pipeline here developed has been integrated into the web server GPCR-ModSim (http://gpcr.usc.es), contributing to its application in biochemical and pharmacological studies on GPCRs

New Ligands and Pharmacological Tools for the Study of G Protein-Coupled Receptors Using Multicomponent Reactions

This PhD thesis describes the synthesis and optimization of novel families of potent and selective A2B antagonists and D2 biased partial agonists, thus contributing to the discovery of therapeutic agents for the treatment of pathologies such as cancer, schizophrenia, or Parkinson's disease. The chemical entities obtained were conceived using different design criteria and assembled using convergent, highly exploratory, and experimentally simple multicomponent reactions. The pharmacological characterization of the obtained libraries enabled the identification of A2BAR antagonists eliciting excellent potency, selectivity, and metabolic stability; as well as the identification of previously unexplored DRD2 biased partial agonists

Synthesis and Biological Evaluation of Modified Adenosine and Thymidine Nucleoside Analogues

SAMENVATTING In Deel I (Hoofdstuk 1-2) van dit werk beschreven we de synthese van gemodificeerde adenosine en thymidine analogen (zie Figuur 1). Deze verbindingen werden als moleculaire probes gebruikt voor de biologische evaluatie van adenosine-receptoren (ARn, Deel II, Hoofdstuk 3-6), die behoren tot de G-proteïne gekoppelde receptor (GPCR) superfamilie, en als inhibitoren voor thymidine-monofosfaat kinase (Deel III, Hoofdstuk 7-8), een potentieel antituberculose doelwit. NONNOHOHNNH2OHClNHINHCH3NH2CH2NH2ONHCH3N3CH2N3NHClMeO263'5'A NH2N3NNHOOHOOOHOHOHClF3'2'13B Figuur 1 Overzicht van de verrichte adenosine (A) en thymidine modificaties (B) Deel II richtte zich voornamelijk op de adenosine A receptor (A33AR), de meest recente AR. Reeds vele structurele variaties van het adenosine-skelet werden onderzocht met het oog op AAR affiniteit en selectiviteit, waaronder N6-benzyl-3 157 substituties en kleinere functionele groepen in 2-positie van het purine gedeelte, al of niet in combinatie met de introductie van een 5’-methylcarbamoyl in het ribofuranose deel. Door bovengenoemde veranderingen aan het adenosine-skelet te combineren met 3’-azido/amino(methyl)-modificaties (zie Figuur 1A), wilden we de invloed bestuderen van dergelijk (gecombineerd) substitutiepatroon op de A3AR selectiviteit, affiniteit en intrinsieke activiteit. Vele van de gesynthetiseerde analogen vertoonden matige tot hoge A3AR affiniteit en selectiviteit. Het beste derivaat uit deze serie was analoog 4.19 (K hAi3AR = 27 nM en A1/A3 selectiviteit > 350). Interessant bij deze verbindingen was dat de intrinsieke activiteit gemoduleerd kon worden afhankelijk van de substituent in 3’-positie: - een 3’-aminogroep (zoals bv. 4.14, 4.16 en 4.19) resulteerde in (sterk) partieel agonisme; - de azide precursoren (zoals bv. 4.11, 4.13 en 4.17) waren allen antagonisten; en - introductie van een methylene-spacer zoals bij 4.1-10, 4.12, 4.15, 4.18 en 4.20 ging ten koste van de intrinsieke activiteit. Ook bestudeerden we de rol van deze gemodificeerde adenosine analogen als tools voor het structuurgebaseerd onderzoek van ARn. Door organische synthese en moleculaire modeling te integreren in het “neoceptor-neoligand” concept, konden we (in samenwerking met dr. Kenneth A. Jacobson) meer inzicht verwerven in de moleculaire complementariteit van wild-type en gemuteerde A3 (Hoofdstuk 5) en A2A (Hoofdstuk 6) ARn. In afwezigheid van exacte structurele kennis van verschillende GPCRn, liet deze aanpak toe met behulp van verbindingen zoals 4.7 en 5.14 de (AAR en A2A3AR) homologie modellen van de te valideren. Bovendien, toonden we in Hoofdstuk 5 aan dat de affiniteit van 3’-amino gemodificeerde adenosine analogen (neoliganden) hoger was voor de H272E gemuteerde A3AR (neoceptor) dan voor de wild-type A3AR. Hiermee bewezen we dat de A3AR (of GPCRn in het algemeen) ontworpen kunnen worden om selectief met synthetische liganden te interageren. 158 In Hoofdstuk 6 beschreven we de verschillende A2AAR-bindingskarakteristieken voor agonisten en antagonisten op basis van het ontworpen 3-D homologie model. Een model dat gevalideerd werd door nieuwe neoceptor (T88D)-neoligand-paren te beschrijven. In Deel III (Hoofdstukken 7-8) bestudeerden we het potentieel van 2’,3’-gemodificeerde thymidine analogen als inhibitoren voor Mycobacterium tuberculosis thymidine-monofosfaat kinase, een nieuw antituberculose doelwit. De (onverwacht) lage affiniteit (d.i. Ki tussen 118 en 1260 μM) van deze verbindingen, spoorde ons aan om hun conformationele eigenschappen nader te bestuderen. De conformationele analyse van verbindingen 8.7 en 8.8 (respectievelijk met Ki’s = 118 en 190 μM) toonde een mogelijk verband aan tussen de matige affiniteit en een suboptimale positionering van de 2’- en 3’-substituenten, toe te schrijven aan de uitgesproken voorkeur voor de noord conformatie

Computational tools for the study of the structure-property relationship and design of new biologically active compounds

The aim of this PhD course was to explore a broad overview on the topic of the Structure-Property Relationship (SPR) with a strong emphasis on the pratical aspects. Data in chemical research, and in particular in drug discovery, is varied and oftentimes very complex. In drug discovery one has to make sense of different type of data such as structural, biological, physico-chemical, pharmacological, toxicological and so on, which, ultimately have to be associated to a single molecular structure. In order to sort out these data and extract appropriate information, a number of tools have been devised on computers and workstations in the form of different programs; the reader will find that many of these tools and methods have been used during this PhD course. More in details in Chapter 1 the homology modeling of the adenosine receptors was explored and accompanied to the pharmacophoric analysis and synthesis of new compounds. In Chapter 2 the analysis of the MMP-inhibitor interaction led us to implement the Amber Forcefield, and the following docking analysis allowed the design of new selective inhibitors. The modeling of the activate form of the cannabinoid receptors (Chapter 3) corresponded to an attempt for going away from the homology modeling procedures; together with the goal of obtaining a quantitative model from an automated docking study. In Chapter 4 the study of ligand-estrogen receptor interaction was developed exploring the free energy calculation, while finally in the last Chapter the angiotensin receptor AT1 construction led us to propose a new binding orientation for the non-peptide antagonists, using the 3D-QSAR approach as validation and predictive method