small molecule modulators of hsp70 as potential anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/topics/alex.pdf · 1...

20
1 A. ManosTurvey, Wipf Group Topic Seminar Feb. 1 st , 2014 Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential AntiCancer Drug Leads Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 1 of 20 2/1/2014

Upload: trankhanh

Post on 28-Jan-2019

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

1

A. Manos‐Turvey,Wipf Group Topic Seminar

Feb. 1st, 2014

Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti‐Cancer Drug Leads

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 1 of 20 2/1/2014

Page 2: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

2

Protein Regulation

~24 000 protein encoding genes  mRNA splicing, post‐translational modifications

Normal cellular function relies upon the correct                expression, folding and localisation of these                                           proteins

Cellular stresses can impact upon these processes  Heat shock Nutrient deprivation Cellular growth Cell differentiation

P. Flicek, M. R. Amode, D. Barrell et al., Ensemble 2012. Nucleic Acids Research, 2012, D84‐D90        C. T. Walsh, S. Garneau‐Tsodikova, G.J. Gatto, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 7342‐7372        

D. T. Rutkowski, R. S. Hedge, J. Cell Biol., 2010, 189, 783‐794

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 2 of 20 2/1/2014

Page 3: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

3

Molecular Chaperones: Heat Shock Proteins

S. Fulda, A. M. Gorman, O. Hori, A. Samali, Int. J. Cell Biol., 2010, 214074S. Kaushik, U. Bandyopadhyay, S. Sridhar et al., J. Cell Sci., 2011, 124, 495‐499

Pic: http://pdslab.biochem.iisc.ernet.in/hspir/chaperone.php

Molecular chaperones monitor proteins and intervene during cellular processes  HSPs are induced upon cellular stress, oxidative stress, in the presence of metal ions are grouped according to molecular weight

HSPs act to protect cells from apoptosis and autophagy makes them interesting for anti‐cancer research

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 3 of 20 2/1/2014

Page 4: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

4

An Example of Anti‐Cancer Potential: Hsp90

Associated with oncogenic protein kinases and growth factors cancer cell lines show upregulated Hsp90 levels and dependence

Has a unique ATP‐binding pocket, targeted by small molecule inhibitors homodimeric structure

However as Hsp90 is inhibited, Hsp70 can be upregulatedH.J. Patel, S. Modi, G. Chiosis, T. Taldone, Expert Opin. Drug Discov., 2011, 6, 559‐587        

L.H. Pearl, C. Prodromou, Annu. Rev. Biochem., 2006, 75, 271‐294        L. Whitesell, N.U. Lin, BBA‐Mol. Cell Res., 2012, 1823, 756‐766        

S. Pacey, R.H. Wilson, M. Walton et al., Clin. Cancer Res., 2011, 17, 1561‐1570  

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 4 of 20 2/1/2014

Page 5: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

5

An Example of Anti‐Cancer Potential: Hsp90

Associated with oncogenic protein kinases and growth factors cancer cell lines show upregulated Hsp90 levels and dependence

Has a unique ATP‐binding pocket, targeted by small molecule inhibitors homodimeric structure

However as Hsp90 is inhibited, Hsp70 can be upregulatedH.J. Patel, S. Modi, G. Chiosis, T. Taldone, Expert Opin. Drug Discov., 2011, 6, 559‐587        

L.H. Pearl, C. Prodromou, Annu. Rev. Biochem., 2006, 75, 271‐294        L. Whitesell, N.U. Lin, BBA‐Mol. Cell Res., 2012, 1823, 756‐766        

S. Pacey, R.H. Wilson, M. Walton et al., Clin. Cancer Res., 2011, 17, 1561‐1570  

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 5 of 20 2/1/2014

Page 6: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

6

The Importance of Hsp70

Activity faciliates DNA replication stabilises membranes corrects protein folding defects* stabilises substrates*  helps form multiprotein complexes identifies proteins for ubiquitination

and subsequent degradation** indicates overlap with Hsp90

S.A. Rensing, U.G. Maier, J. Mol. Evol., 1994, 39, 80‐86 L. Brocchieri, E.C. de Macario, A.J.L. Macario, BMC Evol. Biol., 2008, 8M. Daugaard, M. Rohde, M. Jäättelä, FEBS Lett., 2007, 581, 3702‐3710A. Manos‐Turvey, J.L. Brodsky, P. Wipf, Top. Med. Chem., submitted F.U. Hartl, A. Bracher, M. Hayer‐Hartl, Nature, 2011, 475, 324‐332

Hsp70 is expressed in all organisms and the activity is highly conserved Two major classes of Hsp70s: heat shock inducible + constitutively expressed (Hsc70) humans have 8 confirmed isoforms

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 6 of 20 2/1/2014

Page 7: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

7

The Importance of Hsp70

S.A. Rensing, U.G. Maier, J. Mol. Evol., 1994, 39, 80‐86 L. Brocchieri, E.C. de Macario, A.J.L. Macario, BMC Evol. Biol., 2008, 8M. Daugaard, M. Rohde, M. Jäättelä, FEBS Lett., 2007, 581, 3702‐3710A. Manos‐Turvey, J.L. Brodsky, P. Wipf, Top. Med. Chem., submitted F.U. Hartl, A. Bracher, M. Hayer‐Hartl, Nature, 2011, 475, 324‐332

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 7 of 20 2/1/2014

Page 8: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

8

The Importance of Hsp70: Apoptosis

Activity can inhibit apoptotic 

functions

Hsp70

AIF Hsp70

Hsp70 Hsp70

JNK

Hsp70

Mitochondrium

BidCasp. 8

Casp. 3

Cyt c.Apaf-1

ApoptosomeCasp. 9

Lysosome

Cyt c.

APOPTOSIS

C.G. Evans, L. Chang, J.E. Gestwicki, J. Med. Chem., 2010, 53, 4585‐4602T. Liu, C.K. Daniels, S. Cao, 2012, Pharmacol. Ther., 2012, 136, 354‐374

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 8 of 20 2/1/2014

Page 9: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

High levels of sequence homology between prokaryotic and eukaryotic Hsp70

Structure contains a nucleotide binding domain (NBD) and substrate binding domain (SBD)

9

Structure of Hsp70

B. Bukau, J. Weissman, A. Horwich, Cell, 2006, 125, 443‐451X. Zhu, X. Zhao, W.F. Furkholder et al., Science, 1996, 272, 1606‐1614

B.C. Freeman, M.P. Myers, R. Schumacher, R.I. Morimoto, EMBO J., 1995, 14, 2281‐2292

SBDNBD

LinkerLid

≡ADP

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 9 of 20 2/1/2014

Page 10: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

Goes through catalytic cycle dependant upon the nucleotide binding

higher affinity for ATP than ADP helps continue the cycle Hsp40s and NEFs help increase the poor activity of the “enzyme”

10

Activity of Hsp70

A. Zhuravleva, E.M. Clerico, L.M. Gierasch, Cell, 2012, 151, 1296‐1307H.H. Kampinga, E.A. Craig, Mol. Cell Biol., 2010, 11, 579‐592

D.M. Cyr, Cell, 2008, 133,  945‐947

closed conformationopen conformation

ATPATP ADP

Nucleotide exchange

ATP hydrolysisSubstrate binds

Substrate is released

Hsp40

NEFbinding

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 10 of 20 2/1/2014

Page 11: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

11

Known Hsp70 Inhibitors

S.R. Srinivasan, X. Li and J.E. Gestwicki,  Trends Med Chem. (in press).

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 11 of 20 2/1/2014

Page 12: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

12

Known Hsp70 Modulators: 15‐Deoxyspergualin

1982: 15‐DSG was synthesised derivative of spergualin anti‐tumour activity in mice 1992: identified to target Hsp70 KD values of 4 µM against Hsc70                                                 

and 5 µM against Hsp90

1999: tresperimus greater stability, equal activity

2001: NSC 6030668‐R/1

H. Iwasawa, S. Kondo, D. Ikeda, T. Takeuchi, H. Umezawa,  Journal Antibiot., 1982, 35, 1665‐1669S.G. Nadler, M.A. Tepper,  B. Schacter, C.E. Mazzucco, Science, 1992, 258, 484‐486

L. Lebreton, J. Annat, P. Derrepas, P. Dutartre, P. Renaut, J. Med. Chem., 1999, 42, 277‐290S.W. Fewell, B.W. Day, J.L. Brodsky, J. Biol. Chem., 2001, 276, 910‐914

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 12 of 20 2/1/2014

Page 13: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

13

The Discovery of MAL3‐101 and its Derivatives

Using multi‐component reactions ~500 compounds have been synthesised maintain the pyrimidone core, 

while varying substituents

MAL3‐101 reduced Hsp40 ATPase activity stimulation inhibits multiple myeloma and 

breast cancer cell proliferation   

Compounds show varied Hsp70 activity With/without an Hsp40

S.W. Fewell, C.M. Smith, M.A. Lyon T.P. Dumitrescu, P. Wipf, B.W. Day, J.L. Brodsky, J. Biol. Chem., 2004, 279, 51131‐51140S. Werner, D.M. Turner, M.A. Lyon, D.M. Huryn, P. Wipf, Synlett., 2006, 14, 2334‐2338

D.M. Huryn, L.O. Resnick, P. Wipf, J. Med. Chem., 2013, 56, 7161‐7176C.M. Wright, R.J. Chovatiya, N.E. Jameson et al.,  Bioorg. Med. Chem., 2008, 16, 3291‐3301

N

NH

OR3

R2O

O R1

CO2Hn

Biginelli ReactionOHN

NH2

HO2Cn

HO

R1

R2O2C

OR3

Ugi Reaction

NH2R4 HO

R6NCR5

N

NH

OR3

R2O

O R1

n

O

NNH

O

R6

R5

R4

N

NH

O

O

O

MAL3-101

N

O

O

NH

CO2MeO CO2Me

-ketoester

aldehyde

urea

dihydropyrimidone-peptoids

dihydropyrimidones

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 13 of 20 2/1/2014

Page 14: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

14

MAL3‐101 Derivatives of Interest

Studies identified the interaction of model dihydropyrimidone 115‐7c with the NBD of Hsp70 115‐7c is an agonist of Hsp70‐Hsp40 activity

S. Wisén, E.B. Bertelsen, A.D. Thompson et al., Chem. Biol., 2010, 5, 611‐622U.K. Jinwal, Y. Miyata, J. Koren III  et al., J. Neurosci., 2009, 29, 12079‐12088

N

NH

O

O

O

Cl

OH

O

Cl

115-7c

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 14 of 20 2/1/2014

Page 15: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

15

MAL3‐101 Derivatives of Interest

Studies identified the interaction of model dihydropyrimidone 115‐7c with the NBD of Hsp70 115‐7c is an agonist of Hsp70‐Hsp40 activity

S. Wisén, E.B. Bertelsen, A.D. Thompson et al., Chem. Biol., 2010, 5, 611‐622U.K. Jinwal, Y. Miyata, J. Koren III  et al., J. Neurosci., 2009, 29, 12079‐12088

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 15 of 20 2/1/2014

Page 16: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

16

MAL3‐101 Derivatives of Interest

Studies identified the interaction of model dihydropyrimidone 115‐7c with the NBD of Hsp70 115‐7c is an agonist of Hsp70‐Hsp40 activity

Compound 116‐9e is an antagonist in the presence of Hsp40s small changes can cause different Hsp70 modulation

N

NH

O

O

O

116-9e OH

ON

NH

O

O

O

Cl

OH

O

Cl

115-7c

S. Wisén, E.B. Bertelsen, A.D. Thompson et al., Chem. Biol., 2010, 5, 611‐622U.K. Jinwal, Y. Miyata, J. Koren III  et al., J. Neurosci., 2009, 29, 12079‐12088

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 16 of 20 2/1/2014

Page 17: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

17

Improving MAL3‐101

Optimisation of a valuable lead:

Lipinski’s Rule of 5: Molecular weight  (MW) less than 500 g/mol  No more than 10 Hydrogen Bond Acceptors No more than 5 Hydrogen Bond Donors   A logP value ≤ 5

Veber Rules Polar Surface Area ≤ 140 Å Number of rotatable bonds ≤ 10

N

NH

O

BnO

O

N

NH

O

CO2MeO CO2Me

O

MW = 931 g/mollogPe = 6.5 cm/sPSA = 200 Å

C.A. Lipinski, F. Lombardo, B.W. Dominy, P.J. Feeney, Adv. Drug Deliver. Rev., 2001, 46, 3‐26D.F. Veber, S.R. Johnson, H.‐Y. Cheng, B.R. Smith, K.W. Ward, K.D. Kopple, J. Med. Chem, 2002, 45, 2615‐2623

ML282‐86

MAL3‐101

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 17 of 20 2/1/2014

Page 18: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

29

The Biginelli Reaction

O

O O

H

O

RHNH2N

O N

NH

O

O

O

R

cat. conc. HCl

OH

RHNHN

O

hemiaminal O

O O

H+

H2O

OH2

RHNHN

ORHN

HNO

O

O OH

keto enol

acyliminium ion

R NH

NHO

OO

OH

HN

OO

OH2

NO R

HH2O

O

O O

H

O

RHNH2N

O N

NH

O

O

O

R

cat. conc. HCl

OH

RHNHN

O

hemiaminal O

O O

H+

H2O

OH2

RHNHN

ORHN

HNO

O

O OH

keto enol

acyliminium ion

R NH

NHO

OO

OH

HN

OO

OH2

NO R

HH2OH+

P. Biginelli, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1891, 24, 1317‐1319C. O. Kappe, J. Org. Chem., 1997, 62, 7201‐7204 

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 18 of 20 2/1/2014

Page 19: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

30

Precursors Required for the Biginelli Reactions

NH2HO

O

79%

i) KOCN, H2O, 60 C, 3 hii) conc. HCl N

HHO

O

NH2

O

NNH2

N HN NH2

O

KOCN, H2O,60 C, 3h

HO

ONH2 HO

O HN NH2

O

i) KOCN, H2O, 60 C, 3 hii) conc. HCl

n nn = 1, 79%n = 2, 91%

acid workup: 24%, 38%without: 49%

OH

O

SO

O

Cl

+46%

pyridine,DCM, 20 h

O

O SO O

OH

O

SO

O

Cl

+NO2 47%

pyridine, 16 h

OH

O

+79%

DCC, DMAP,DCM, 44 h

O

SO

HOSO

O

O

OHO

Br

BrBr+

40%

DMAP, Et2O,14 h

O O

OBrBr

Br

O

O SO O

NO2

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 19 of 20 2/1/2014

Page 20: Small Molecule Modulators of Hsp70 as Potential Anti ...ccc.chem.pitt.edu/wipf/Topics/Alex.pdf · 1 A. Manos‐Turvey, WipfGroup Topic Seminar Feb. st1 , 2014 Small Molecule Modulators

44

Acknowledgements

Dr Peter Wipf Dr Jeff Brodsky Pete Chambers and Pitt NMR Facility Wipf and Brodsky Group Members (past and present) Funding: HHMI, AAAF

Alex Manos-Turvey @ Wipf Group Page 20 of 20 2/1/2014