CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K...

19
132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION OF CYCLIN DEPENDENT KINASE-2 (CDK2) INHIBITORS 6.1 Introduction Tumourassociated cell cycle defects are often mediated by alterations in the activity of cyclin dependent kinases (CDKs) activity. Misregulated CDKs induce unscheduled proliferation as well as genomic and chromosomal instability. According to current research, mammalian CDKs are essential for driving each cell cycle phase (Figure 6.1), so therapeutic strategies that block CDK activity are unlikely to selectively target tumour cells. However, recent genetic evidence has revealed that, CDK1 is required for the cell cycle, interphase CDKs are only essential for proliferation of specialized cells. Emerging evidence suggests that tumour cells may also require specific interphase CDKs for proliferation. Thus, selective CDK inhibition may provide therapeutic benefit against certain human neoplasias (Malumbres and Barbacid, 2009). At present, there are 11 CDKs and 13 cyclins known. The list of these CDKs along with their regulatory protein and its expression in the cell cycle is shown in Table 6.1. Activation of Cyclindependent kinase 2 (CDK2), which is complexed with cyclin A and cyclin E, regulates the cell cycle progression through G1 and entry into S phase, which is frequently associated with apoptosis. CDK2 acts as a potential therapeutic target in several proliferative diseases, including cancer (Davies et al., 2002). Cyclin E gene amplification has been observed in several cancer cell lines (Keyomarsi and Pardee, 1993), in a small proportion of breast carcinomas (Buckley et al., 1993) and in about 10% of colorectal carcinomas (Kitahara et al., 1995).

Transcript of CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K...

Page 1: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

132  

CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE

IDENTIFICATION OF CYCLIN DEPENDENT KINASE-2

(CDK2) INHIBITORS  

6.1 Introduction 

Tumour‐associated cell cycle defects are often mediated by alterations in the activity 

of cyclin dependent kinases (CDKs) activity. Misregulated CDKs  induce unscheduled 

proliferation as well as genomic and chromosomal  instability. According  to current 

research, mammalian  CDKs  are  essential  for  driving  each  cell  cycle  phase  (Figure 

6.1),  so  therapeutic  strategies  that  block  CDK  activity  are  unlikely  to  selectively 

target  tumour  cells. However,  recent  genetic  evidence  has  revealed  that, CDK1  is 

required  for  the  cell  cycle,  interphase  CDKs  are  only  essential  for  proliferation  of 

specialized  cells.  Emerging  evidence  suggests  that  tumour  cells may  also  require 

specific interphase CDKs for proliferation. Thus, selective CDK inhibition may provide 

therapeutic  benefit  against  certain  human  neoplasias  (Malumbres  and  Barbacid, 

2009). At present,  there are 11 CDKs and 13 cyclins known. The  list of  these CDKs 

along with  their  regulatory protein and  its expression  in  the  cell  cycle  is  shown  in 

Table 6.1. 

 Activation  of  Cyclin‐dependent  kinase  2  (CDK2),  which  is  complexed  with 

cyclin A and cyclin E, regulates the cell cycle progression through G1 and entry into S 

phase,  which  is  frequently  associated  with  apoptosis.  CDK2  acts  as  a  potential 

therapeutic  target  in  several proliferative diseases,  including  cancer  (Davies et al., 

2002).  Cyclin  E  gene  amplification  has  been  observed  in  several  cancer  cell  lines 

(Keyomarsi and Pardee, 1993),  in a small proportion of breast carcinomas (Buckley 

et al., 1993) and in about 10% of colorectal carcinomas (Kitahara et al., 1995).  

  

 

 

Page 2: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

133  

 

                                                           

 

Figure 6.1. Role of CDK1, CDK2 ,CDK4 and CDK6 in Cell Cycle

Page 3: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

134  

Table 6.1. Diffrent CDKs with their regulatory protein and function

S.No.  CDKs  Regulatoy Proteins  Function 

1  CDK1  Cyclin A, Cyclin B  M phase 

2  CDK2  Cyclin A, Cyclin E  G1/S transition 

3  CDK3     

4  CDK4  Cyclin D1,Cyclin D2, Cyclin D3  G1 phase 

5  CDK5  Cyclin 5R1,Cyclin 5R2  Transcription 

6  CDK6  Cyclin D1,Cyclin D2,Cyclin D3  G1 phase 

7  CDK7  Cyclin H  CDK‐activating kinase, transcription 

8  CDK8  Cyclin C  Transcription 

9  CDK9  Cyclin T1, Cyclin T2a      ‐‐ 

10  CDK10    ‐‐   

11  CDK11  Cyclin L   

  

 

 

Page 4: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

135  

Since ATP  is the authentic cofactor of CDK2  it can be considered as a "pseudo‐lead 

compound" for discovery of CDK2 inhibitors. However there are two major concerns: 

adenine‐containing compounds are common ligands for many enzymes in cells, thus, 

any  adenine  derivatives  may  inhibit  many  enzymes  in  the  cells:  secondly,  any 

compounds  with  highly  charged  groups  such  as  phosphates  in  ATP  will  prevent 

uptake  by  the  cells.  Hence  the  available  large  structural  information  on  CDK2 

provides good information for designing specific CDK2 inhibitors (Sung‐Hou, 1998). 

6.2 Materials and methods 

The  crystal  structures  available  in  the  protein  data  bank  were  downloaded  for 

computational purpose. The ligands were drawn and modified using chemdraw and 

maestro window of Schrodinger.  

 

6.2.1 Molecular docking on CDK2 

The 3D crystal structure of CDK2 reported  in Protein Data Bank  (PDB) was used as 

receptor  for  docking  studies  (PDB  ID:  2DUV)  (Lee  et  al.,  2007).  The  protein was 

downloaded  from  the  PDB  and  was  prepared  for  docking  using  the  Protein 

Preparation wizard. Hydrogens were  added  to  the  protein  and  the missing  loops 

were built. Bond length and bond order correction was also carried out for preparing 

the  protein  for  docking  studies.  The  active  site  grid was  generated  based  on  the 

already co‐crystalised ligand of the receptor using receptor grid generation module. 

Several co‐crystallized ligand were extracted from their protein structures and were 

further prepared using  ligprep module of  Schrodinger  suite. The  conformers,  thus 

generated, were docked and cross‐docked onto the 3D crystal structure (through the 

identified  grid)  in  order  to  select  and  validate  the  docking  procedure.  Flexible 

docking was carried out for all the conformers in order to find out the binding mode 

of these ligands. The detailed methodology is described in the material and methods 

chapter (Section 3.3, Chapter 3).  

 

 

 

Page 5: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

136  

6.2.2 Binding site analysis using FTMap Server 

The binding site of CDK2 was further analysed with respect to computational solvent 

mapping using FTMap server (Brenke et al., 2009). Computational solvent mapping 

is  a  powerful  tool  to  understand  interactions  between  proteins  and  solvent 

molecules.  It docks  small organic molecules on a protein  surface,  finds  favourable 

binding positions, clusters the conformations of all prediction, and ranks the clusters 

on the basis of their average free energy. The  low energy clusters are grouped  into 

consensus sites and the  largest consensus sites are able to  identify active or  ligand 

binding  sites.  The  docked  fragments  can  also  serve  as  the  building  blocks  for 

fragment‐based drug design.  

 

6.2.3. Classical modeling around flavopiridol for library enrichment using fragment based studies 

Flavopiridol  [cis‐5,7‐dihy‐droxy‐2‐(2‐chlorophenyl)‐8‐[4‐(3‐hydroxy‐1‐methyl) 

piperidinyl]‐ 1‐benzopyran‐4‐one], a synthetic flavones, which  is currently  in clinical 

trials as an anticancer therapeutic, is a potent and selective inhibitor of the CDKs and 

its  antitumor  activity  is  related  to  its  CDK  inhibitory  activity. Murthy  et  al.,  had 

carried out an extensive structure activity relationship of flavopiridol analogues and 

found the structural moieties useful for enhancing or decreasing the CDK  inhibitory 

activity (Murthy et al., 2000).  

 Classical  modeling  around  flavopiridol  was  carried  out  for  creation  of  a 

combinatorial library with a fixed core required for activity, using combiglide module 

of Schrodinger suite. CombiGlide identifies the most effective reagent combinations 

to produce focused libraries that have the highest likelihood of binding tightly to the 

target  protein.  CombiGlide  dramatically  reduces  the  overwhelming  combinatorial 

space down to manageable library sizes by selecting and ranking reagents.  The list of 

reagent  files used  in the present study  is shown  in Table 6.2, and  include Grignard 

reagents, amines, chloroforms, aryl, alkyl and alkenyl halides, acid chlorides, alcohols 

and  sulfonates  etc.  One  of  CombiGlide's  strengths  is  the  ability  to  incorporate 

synthetic  feasibility  into  combinatorial  design  by  using  actual  reagents  (obtained 

from available‐chemical files or corporate databases) as the basis for specifying the 

Page 6: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

Table

 S.No

 

side chain

compared

appropria

additiona

informatio

time and 

library.  

 

 

6.2. Reagent f

o.  Structur

 

ns  to be sa

d  with  the

ate  substitu

l  fragment

on. Substitu

then all  th

iles used for c

e  Names 

Acid_Ch

 

Acid_Ch

 

Alcohol_

 Alcohol_

 

Alkoxyla

 

Alkoxyla

 

Alkyl_Br

 

Alkyl_Io

mpled at  th

e  list  of  6

ution  to  the

s were  also

ution to the

he  three  tog

creation of the

hloride_C_C

hloride_C_Cl

_C_O 

_O_H 

amine_N_H

amine_O_N

romide_C_Br

dide_C_I

he various 

667  fragme

e  core.  In  a

o  generate

e core was 

gether  for g

combinatorial

positions o

ents  from 

addition  to

ed  based  on

done at th

generating

l compound lib

 Definition

R can be anatom. 

R can be anatom. 

R can be ancarbonyl at

R can be ancarbonyl atR can be H alkoxylamin

R can be H alkoxylamin

R can be almalkynyl; alkwith oxygenwith siliconalkylaminocwith nitrogarylthio, alkor arylsulfoketone withR cannot beattached toR can be almalkynyl; alkwith oxygenwith siliconalkylaminocwith nitrog

on  the core

Schrodinge

o  Schroding

n  the  co‐cr

ree specifie

a diverse v

brary

 of R, R', R",

ny group linke

ny group linke

n alkyl or aryl gttached to the

n alkyl or aryl gttached to theor any group ne through ca

or any group ne through ca

most any grouoxy, aryloxy, an attached to n attached to Ccarbonyl, or aen attached tkylsulfinyl, aryonyl with sulfuh carbonyl atte chloro, iodoo CH2). most any grouoxy, aryloxy, an attached to n attached to Ccarbonyl, or aen attached t

. The  reage

er  for  sele

ger  fragmen

rystallized  s

ed locations

virtual com

, Alk, Ar, Vi, A

ed to carbonyl

ed to carbonyl

group. R canne oxygen of th

group. R canne oxygen of thlinked to the arbon. 

linked to the arbon.. 

up: H, alkyl, aralkoxycarbonyCH2; silyl CH2; alkylamiarylaminocarbo CH2; alkylthylsulfinyl, alkyur attached totached to CH2o, chlorocarbo

up: H, alkyl, aralkoxycarbonyCH2; silyl CH2; alkylamiarylaminocarbo CH2; alkylth

137

ents were 

ection  of 

nts,  some 

structural 

s one at a 

binatorial 

 through carb

 through carb

not have ae alcohol. 

not have ae alcohol. oxygen of the

oxygen of the

ryl, alkenyl,yl, or aryloxyc

no, arylaminobonyl hio, ylsufonyl, o CH2; 2; cyano. nyl (carbonyl

ryl, alkenyl,yl, or aryloxyc

no, arylaminobonyl hio, 

bon 

bon 

carbonyl 

o, 

carbonyl 

o, 

Page 7: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

10 

11 

12 

13 

14 

15 

16 

17 

18 

19 

 

 

Alkyl_Su

 

Alkyne_

 

Amine_G

 

Amine_G

 

Amine_

 

Amine_

 

Amine_ 

 

Amine_S

 

Amine_S

 

Amine_S

 

Amine_S

ulfonate_C_O

_C_H 

General_N_H

General_Aryl_

Primary_Alky

Primary_Aryl_

Primary_Gene

Secondary_Al

Secondary_Ar

Secondary_Ar

Secondary_Ge

_N_H

l_N_H

_N_H

eral_N_H

lkyl_N_H

ryl_N_H

ryl_N_H

eneral_N_H

arylthio, alkor arylsulfoketone withR cannot beattached toR can be almalkynyl; alkwith oxygenwith siliconalkylaminocwith nitrogarylthio, alkor arylsulfoketone withR cannot beattached toR can be H,

R can be H,carbon attaR' can be Hcarbon attaAr can be aR can be H,attached to

R can be H,attached to

Ar can be a

R can be alkcarbon atta

R can be alkattached toR' can be alattached toAr can be aR can be alkcarbon atta

Ar can be aR can be alkcarbon atta

R can be alkcarbon attaR' can be alcarbon atta

kylsulfinyl, aryonyl with sulfuh carbonyl atte chloro, iodoo CH2). most any grouoxy, aryloxy, an attached to n attached to Ccarbonyl, or aen attached tkylsulfinyl, aryonyl with sulfuh carbonyl atte chloro, iodoo CH2).  alkyl, aryl, sil

 alkyl, aryl. R ached to the n, alkyl, aryl. Rached to the nryl. alkyl, aryl. R o the nitrogen

 alkyl. R cannoo the nitrogen

ryl.

kyl, aryl. R canached to the n

kyl. R cannot o the nitrogenlkyl. R' cannoto the nitrogenryl.kyl, aryl. R canached to the n

ryl.kyl, aryl. R canached to the n

kyl, aryl. R canached to the nlkyl, aryl. R' caached to the n

ylsulfinyl, alkyur attached totached to CH2o, chlorocarbo

up: H, alkyl, aralkoxycarbonyCH2; silyl CH2; alkylamiarylaminocarbo CH2; alkylthylsulfinyl, alkyur attached totached to CH2o, chlorocarbo

yl. 

cannot have anitrogen of the' cannot havenitrogen of the

cannot have an of the amine

ot have a carbn of the amine

nnot have a canitrogen of the

have a carbonn of the aminet have a carbon of the amine

nnot have a canitrogen of the

nnot have a canitrogen of the

nnot have a canitrogen of theannot have a cnitrogen of the

138

ylsufonyl,o CH2; 2; cyano. nyl (carbonyl

ryl, alkenyl,yl, or aryloxyc

no, arylaminobonyl hio, ylsufonyl, o CH2; 2; cyano. nyl (carbonyl

a carbonyle amine.  a carbonyl e amine. 

a carbonyl e. 

bonyle. 

arbonyle amine. 

nyl carbone. onyl carbon e. 

arbonyl e amine. 

arbonyl e amine. 

arbonyle amine. carbonyl e amine. 

carbonyl 

o, 

Page 8: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

20 

21 

22 

23 

24 

25 

26 

27 

28 

29 

30 

31 

32 

 

 

Amino_A

 

Aryl_or_

 

Aryl_or_

 

Aryl_or_

 

alphaBro

 

Carbamo

 

alphaCa

 

Carboxy

 

Carboxy

 

Carboxy

 

Carboxy

 

Chlorofo

 

Hydrazin

Acid_C_C

_Vinyl_Bromid

_Vinyl_Iodide_

_Vinyl_Thiol_S

omocarbonyl_

oyl_Chloride_

rbonyl_C_H

ylic_Acid_C_C

ylic_Acid_C_O

ylic_Acid_O_H

ylic_Acid_Este

ormate_C_Cl

ne_C_N 

de_C_Br

_C_I

S_H

_C_Br

_C_Cl

H

er_C_O

R can be H,

Ar is an aryThe aryl or to the Br. 

Ar is an aryThe aryl or to the I. 

Ar is an aryThe aryl or to the S. 

R can be alk

R can be ancan be any 

R can be H,attached toR' can be Hcarbon attaR" can be Hcarbon attaR can be anatom. 

R can be anatom. 

R can be anatom. 

R can be anatom. R' cathe oxygen 

R can be an

R can be H hydrazine t

 alkyl, aryl.

l group; Vi is avinyl group m

l group; Vi is avinyl group m

l group; Vi is avinyl group m

kyl, aryl. R' ca

ny group linkegroup linked 

 alkyl, aryl, alko carbonyl. , alkyl, aryl, caached to CH, cH, alkyl, aryl, cached to CH, cny group linke

ny group linke

ny group linke

ny group linken be anythingexcept for a c

ny group linke

or any group through a carb

a vinyl (C=C) gmust be direct

a vinyl (C=C) gmust be direct

a vinyl (C=C) gmust be direct

n be H, alkyl, 

ed to nitrogen to nitrogen th

koxy with oxy

arbonyl with ccyano. carbonyl with cyano. ed to carbonyl

ed to carbonyl

ed to carbonyl

ed to carbonylg with carbon carbonyl carb

ed to oxygen t

linked to the bon. 

139

group.ly attached 

group.ly attached 

group.ly attached 

aryl.

through carbhrough carbon

ygen

carbonyl 

carbonyl 

 through carb

 through carb

 through carb

 through carbattached toon. 

hrough carbo

nitrogen of th

bon. R' n 

bon 

bon 

bon 

bon 

on atom.

he 

Page 9: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

33 

34 

35 

36 

37 

38 

39 

40 

41 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hydrazin

 

Hydrazin

 

Isocyana

 

Sulfonam

 

Sulfonyl

 

Thiol_S_

 

Weinreb

Boronic_

 

Grignard

ne_N_H

ne_N_N

ate_C_N

mide_N_H

_Chloride_S_

_H 

b_Amide_C_N

_Acid/Ester_C

d_Reagent_C_

_Cl

N

C_B

_Mg

R can be H hydrazine t 

R can be H hydrazine t

R can be anthrough a c

R can be ana carbon. 

R can be ana carbon. 

R can be H,carbon of a

R can be alkcarbon atta

R can be alk

R can be alk

or any group through a carb

or any group through a carb

ny group linkecarbon. 

ny group linke

ny group linke

 alkyl, aryl, vina carbonyl atta

kyl, aryl. R canached to the a

kyl, aryl.

kyl, aryl.

linked to the bon. 

linked to the bon. 

ed to the nitro

ed to the sulfu

ed to the sulfu

nyl. R cannot ached to the s

nnot have a caamide carbony

140

nitrogen of th

nitrogen of th

ogen of the NC

r of the SO2 t

r of the SO2 t

have thesulfur. 

arbonylyl. 

he 

he 

CO 

through

through

Page 10: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

141  

6.2.4 Docking of virtual library on CDK2 

Molecular  docking  studies  of  the  combinatorial  library was  carried  out  using  the 

Glide  module  of  Schrodinger  on  the  already  prepared  grid.  The  ligand  dataset 

comprised of the conformers, tautomers and ionization states of all the compounds 

in  the  combinatorial  library.  The  detailed methodology has been described  in  the 

material and methods chapter (Section 3.3, Chapter 3). 

 

6.3 Results and Discussion 

The total number of crystal structures available in PDB as on July 2012 was 196 and 

presently  (as on 19th March 2013)  it  is 242, which  is very high as compared  to  the 

other isoforms (as shown in Table 6.3). 

   Cyclin  dependent  kinases  are  a  family  of  serine/threonine  protein  kinases 

whose members are  small proteins  (~34‐40kDa)  composed of  little more  than  the 

catalytic  core  shared  by  all  protein  kinases.  All  CDKs  share  the  feature  that  their 

enzymatic  activation  requires  the binding of  a  regulatory  cyclin  subunit.  From  the 

literature information and the available crystal structures, it was found that the CDK 

structure  and  function  has  been  remarkably  well  conserved  during  evolution.  It 

comprise of the following (as also shown in figure 6.2):‐ 

• 2‐lobe structure: 

o Smaller lobe ‐ Sheets o Lager lobe    ‐ Helix 

• T‐loop (activation loop) 

• L12 helix 

• PSTAIRE helix  

CDKs have two‐lobed structure as other protein kinases, but with two modifications 

that make  them  inactive  in  the  absence  of  cyclin.  These modifications  have  been 

revealed by detailed crystallographic studies of the crystal structure of human CDK2. 

i. A  large  flexible  loop:  T‐loop  or  activation  loop‐  rise  from  the  carboxy‐

terminal lobe to block the binding of protein substrate. 

Page 11: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

142  

ii. In  the  inactive CDK  several  important amino‐acid  side  chains  in  the active 

site are incorrectly positioned, so that the phosphates of ATP are not ideally 

oriented  for  the  kinases  reaction.  CDK  activation  therefore  requires 

extensive structural changes in the CDK active site. 

iii. Two alpha helices make a particularly important contribution to the control 

of CDK activity. The highly conserved PSTAIRE helix of the upper kinase lobe 

interacts directly with cyclin and moves inward upon cyclin binding, causing 

the reorientation of residues that interact with the phosphatase of ATP. 

The small L12 helix just before the T‐loop in the primary sequence changes structure 

to become a beta strand upon cyclin binding contributing to reconfiguration of the 

active site and t‐loop 

 

 

Table 6.3. Number of 3D-crystal structures available for various CDKs in Protein Data Bank

 

 

 

 

 

 

A total of 196 crystal structures of CDK2 were downloaded from PDB. The co‐

crystallized ligand of 2DUV was structurally similar to flavopiridol and also the cross‐

docking was more accurate  for this crystal structure, hence 2DUV was selected  for 

docking  studies.  As  also  reported  in  literature,  the  flavapiridol  core/scaffold was 

involved in H‐bonding with the protein (Murthy et al., 2000). The interaction figure 

of flavopiridol with the protein 2DUV is shown in Figure 6.3. Based on the interaction 

figure, it was observed that flavopiridol is involved in H‐bond with Leu83, Asp86 and 

Gln131 at 2.1 Å, 1.9 Å and 1.6 Å respectively.  Also the chlorobenzene ring seems to 

get engulfed  in  the  small hydrophobic  cleft  formed by Val18, Ala31, Val64, Phe80 

and Ala144 that is supposed to provide extra stability to the ligand within the binding 

pocket. 

S. No. Targets for Cancer No. of crystal structure 1. CDK1 ‐ 2. CDK2 196 3. CDK4 5 4. CDK6 8 5 CDK9 4

Page 12: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

143  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

                    

Figure 6.2. Tertiary structure of human Cdk2, determined by X-ray crystallography. Like other protein kinases, Cdk2 is composed of two lobes: a smaller amino-terminal lobe (top) that is composed primarily of beta sheet and the PSTAIRE helix, and a large carboxy-terminal lobe (bottom) that is primarily made up of alpha helices. The ATP substrate is shown as a ball-and-stick model, located deep within the active-site cleft between the two lobes. The phosphates are oriented outward, toward the mouth of the cleft, which is blocked in this structure by the T-loop (highlighted in green).  

 

 

 

 

 

 

 

PSTAIRE Helix 

helix L 12 

Page 13: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

 

                 

 

                 

                  Figure 6.3. (4Å viscinity 

      

                 

         

(a) Interaction. (b) 2D repres

figure of flavasentation of the

apiridol with Ce interaction fi

CDK2 (PDB IDigure.

: 2DUV). Resid

(a) 

(

 

dues displaye

(b) 

144

 

d are within

Page 14: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

145  

The  3D  structure  of  CDK2  was  further  analysed  with  respect  to  the 

clefts/clusters within  the  binding  pocket  using  FTMap  server.  Four  different  small 

binding  clefts  were  identified  within  the  binding  pocket  of  CDK2.  The  docked 

conformation of flavapiridol was superimposed onto the cluster analysis for getting 

the  information about  the site of modification.  It was  found  that  three out of  four 

clefts exactly superimpose on the modification sites identified for flavapiridol based 

on  literature.  The  location of  these  clefts/clusters with  respect  to docked pose of 

flavapiridol  on  the  binding  pocket  is marked  as  C1,  C2  and  C5  in  Figure  6.4.  The 

fragments  (organic probes)  that bind with high  affinity  into  these  three  clefts  are 

listed in Table 6.4.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

Figure 6.4. (A) Binding site clefts analysis of CDK2 and its comparison with the docked conformation of flavapiridol and (B) SAR analysis of flavapiridol for lead optimization. 

C1 

C5 

C2 

O

OOH

N

Cl

OHOH

C1 C2

C5

Page 15: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

146  

Table 6.4. Organic probes bound at the identified clusters within the binding pocket of CDK2.

Cluster  Organic probes 

 

Cluster 1 (C1) 

 

Methylamine, Acetamide, Ethanol, Acetonitrile, Acetone, 

Benzaldehyde, Ethane, Urea, Acetaldehyde, Benzene, N,N‐

dimethylformamide, Phenol, Isopropanol, Dimethyle ether 

 

Cluster 2 (C2)  Acetamide, Acetonitrile, Acetaldehyde, Benzene, Cyclohexane, N,N‐

dimethylformamide, Dimethyle ether, Ethane, Acetone, 

Methylamine, Benzaldehyde, Urea, Ethanol, Isopropanol, Isobutanol 

 

Cluster 5 (C5)  Ethanol, Phenol, Isopropanol, Isobutanol, Methylamine, Acetonitrile, 

Acetaldehyde, Acetamide, Benzaldehyde 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Page 16: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

147  

Keeping the favapiridol core (where the hydroxy and the carboxyl group are 

involved  in  strong  H‐bonding  required  for  the  stability  of  the  ligand  within  the 

binding pocket) fixed, a variety of small fragments (as described in the methodology 

section of this chapter) were introduced at the identified clusters C1, C2 and C5, one 

at a time. More than 1500 structures were designed based on single substitution at a 

time.  Further  the  conformations  and  ionization  states  of  these  structures  were 

created and finally we had a dataset of about 5000 virtual molecules to be screened 

on  the  target  protein  CDK2.  The  list  of  reagent  files  used  for  the  creation  of  the 

virtual library along with the number of compounds created and their dock scores is 

shown in Table 6.5. Further, in order to get the maximum diversity in structures and 

cover maximum possible combinations, the substitutions were carried out twice at a 

time (in combination of C1‐C2, C1‐C3, C1‐C5, C2‐C3, C2‐C5 and C3‐C5) as well as all 

the  three at a  time with  the  reagent  files  that  resulted  in best docking  scores  for 

single  substitution.  Docking  studies  of  all  these  molecules  revealed  about  130 

molecules that showed better affinity towards the target than the known  inhibitor. 

The  best  molecule  from  both  the  approaches  (single  substitution  and  multiple 

substitutions)  had  the  same  docking  score.    The  structure  of  the  proposed  best 

inhibitor and its interaction with CDK2 is shown in Figure 6.5.   It shows similar core 

interaction to the target protein (CDK2) which has been reported in the literature i.e. 

Leu83 amino acid of CDK2  is mainly  involved  in hydrogen bonding. Besides that the 

two amide groups at the periphery are  involved  in two strong H‐bonds with Asp86 

and Asp145. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 17: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

148  

Table 6.5. Reagent files used for library generation and number of compounds generated from each reagent file (the best [B] and worst [W] dock scores for every reagent file at each cluster is shown and the best reagent file among all is colored in red for all the clusters)

 S.No 

 Reagent file 

 No. of reagents 

 No. of structure 

        Dock Scores (B=Best; W=Worst) 

C_1 Substitution 

C‐2 Substitution 

C‐5 Substitution 

1  Alchol_C_O  67  111  B ‐12.05 W ‐6.63 

B ‐11.18 W ‐6.12 

B ‐11.75 W ‐7.66 

2  Alchol_O_H  67  115  B ‐11.77 W ‐7.90 

B ‐13.66 W ‐5.29 

B ‐11.67 W ‐6.24 

3  Amine_General_N_H  71  129  B ‐11.92 W ‐6.82 

B ‐12.65 W ‐6.99 

B ‐11.63 W ‐4.12 

4  Amine_General_Aryl_N_H  17  17  B ‐10.38 W ‐7.45 

B ‐10.21 W ‐7.51 

B ‐10.281 W ‐6.085 

5  Amine_Primary_Alkyl_N_H  3  3  B ‐10.14 W ‐8.46 

B ‐10.72 W ‐9.90 

B ‐11.16 W ‐8.91 

6  Amine_Primary_Aryl_N_H  1  1  B ‐9.67 W ‐9.67 

B ‐9.36 W ‐9.36 

B ‐10.20 W ‐10.20 

7  Amine_Primary_General_N_H  4  4  B ‐10.14 W ‐8.46 

B ‐10.72 W ‐9.36 

B ‐11.34 W ‐8.94 

8  Amine_Secondary_Alkyl_N_H  55  113  B ‐11.92 W ‐6.82 

B ‐12.65 W ‐6.99 

B ‐11.85 W ‐3.03 

9  Amine_Secondary_Aryl_N_H  16  16  B ‐10.38 W ‐7.45 

B ‐10.21 W ‐7.51 

B ‐10.35 W ‐5.91 

10  Amine_Secondary_general_N_H  67  125  B ‐11.92 W ‐6.82 

B ‐12.65 W ‐6.99 

B ‐11.85 W ‐3.03 

11  Amino_Acid_C_C  4  4  B ‐9.61 W ‐9.61 

B ‐10.00 W ‐10.00 

B ‐9.97 W ‐9.97 

12  Aryl_or_Vinyl_thiol_S_H  2  2  B ‐10.01 W ‐9.06 

B ‐6.85 W ‐6.48 

B ‐10.26 W ‐5.32 

13  Alpha carbonyl_C_H  9  11  B ‐12.53 W ‐8.73 

B ‐10.95 W ‐7.94 

B ‐10.57 W ‐8.49 

14  Carboxylic_Acid_C_C  6  6  B ‐15.23 W ‐9.68 

B ‐14.04 W ‐9.85 

B ‐11.05 W ‐9.94 

15  Carboxylic_Acid_C_O  6  6  B ‐13.67 W ‐10.00 

B ‐12.75 W ‐8.95 

B ‐11.18 W ‐10.31 

16  Carboxilic_Acid_O_H  6  6  B ‐12.16 W  ‐9.65 

B ‐12.04 W ‐8.30 

B ‐12.54 W ‐10.27 

17  Carboxylic_Acid_Esta_C_O  2  2  B ‐12.35 W ‐10.48 

B ‐10.66 W ‐6.32 

B‐10.17 W‐9.66 

18  Sulfonamide_N_H  8  8  B ‐10.48 W ‐5.90 

B ‐11.91 W ‐7.04 

B ‐10.26 W ‐9.22 

19  Thiol_S_H  4  4  B ‐10.01 W ‐9.06 

B ‐10.97 W ‐10.90 

B ‐10.26 W ‐5.32 

B indicates the best score and W indicates the worst score 

 

Page 18: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

149  

 

Figure 6.5. a) Structure of molecule showing highest docking score after single/double/triple substitution around Flavopiridol scaffold. b) Interaction figure of CDK2 with the best designed structure through FBDD showing docking score -15.28.

 

 

 

 

(a) 

(b) 

Page 19: CHAPTER 6 FRAGMENT BASED D A IDENTIFICATION C D K …shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/14581/8/11_chapter 6.pdf132 CHAPTER 6 FRAGMENT BASED DRUG DESIGN APPROACH FOR THE IDENTIFICATION

150  

6.4 Conclusion 

Potent  inhibitors  of  CDK2  have  been  identified  based  on  the  application  of 

computational  techniques,  particularly  structure  based  and  fragment  based  drug 

discovery.  These  techniques  were  quite  appropriate  for  this  target  due  to  the 

availability of  large number of crystal structures of CDK2  in Protein Data Bank. The 

co‐crystallized  ligand  information was  taken  into  account  for  the  identification  of 

potent  fragments  in  addition  to  the  existing  library  of  fragments.  Taking  the 

flavopiridol core structure as the active scaffold, a  large  library of virtual molecules 

was  prepared  for  subsequent  docking  studies  on  the  target  protein.    In  order  to 

incorporate synthetic feasibility into combinatorial design, actual reagents (obtained 

from  available‐chemical  files  or  corporate  databases) were  used  as  the  basis  for 

specifying  the  side chains  to be  sampled at  the various positions on  the core. The 

library  was  created  upon  substitution  of  the  fragments  one  at  a  time  and  even 

multiple fragments at three different locations of the scaffold. The approach proved 

to be  successful, as more  than 100  structures were  found  to bind better  than  the 

parent  compound  (flavopiridol)  and  have  been  submitted  to  the  chemists  for 

synthesis and  subsequent bio‐evaluation. The  same  reagent  file proved  to provide 

the  potent  inhibitor  structure  in  both  single  and multiple  substitution  fragments. 

From the  interaction figures of the  inhibitors with the protein,  it was observed that 

besides Leu83, two other residues viz., Asp86 and Asp145 are also essential for the 

binding of the ligand within the pocket and hence must be taken into consideration 

while designing new CDK2 inhibitors.