KR100793263B1 - ＧＳＫ-3β 단백질의 특성확인 및 그것의 이용 방법 - Google Patents

ＧＳＫ-3β 단백질의 특성확인 및 그것의 이용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단백질의 촉매적 키나제 도메인; 구조 결정에 충분한 GSK3 결정을 제공하도록 단백질 구조체를 결정화하는 도메인을 포함하는 사람의 글리코겐 신타아제 키나제 3(GSK3) 구조체의 3 차원 구조; 사람 글리코겐 신타아제 키나제 3β(GSK3-β) 구조체의 결정; 및 GSK3 활성에 의해서 매개되는 다양한 질환 상태의 치료에 있어서 가능한 치료 화합물을 동정하기 위하여 GSK3 구조체의 3차원 구조를 사용하는 방법을 제공한다.
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GSK3 구조체, GSK3β 구조체.

Description

ＧＳＫ-3β 단백질의 특성확인 및 그것의 이용 방법{CHARACTERIZATION OF THE GSK-3β PROTEIN AND METHODS OF USE THEREOF}
본 발명은 사람 글리코겐 신타아제 키나제 3(GSK3)의 3차원 구조, GSK3 구조체의 결정, GSK3 구조체의 결정을 형성하는 방법, GSK3 구조체의 결정 구조를 결정하는 방법, 및 GSK3 활성에 의해서 매개되는 다양한 질환 상태의 치료를 위한 가능한 치료 화합물을 동정하기 위하여 GSK3 의 3차원 구조를 사용하는 방법에 관한 것이다.
글리코겐 신타아제 키나제 3(GSK3)는 α및 β, 확인된 2 개의 이소형에 대한 세린/트레오닌 키나제이다. Woodgett, Trends Biochem. Sci., 16:177-81(1991). 두개의 GSK3 이소형은 정지세포에서 구성적으로 작용한다. GSK3 는 원래 직접적인 인산화에 의해서 글리코겐을 저해하는 키나제로 동정되었다. 인슐린 활성의 경우에, GSK3 가 불활성화됨으로써, 글리코겐 신타아제의 활성 및 아마도 글루코스 전달과 같은 인슐린-의존 사건을 허용한다. 연속적으로, GSK3 활성은 또한 인슐린과 같은 다른 성장 인자, 수용체 티로신 키나제(RTK)를 통한 신호로 불활성화된다는 것이 밝혀졌다. 이러한 신호 분자의 예는 IGF-1 및 EGF 를 포함한다. Saito et al., Biochem. J.303:27-31(1994); Welsh et al., Biochem. J. 294:625-29(1993); 및 Cross et al., Biochem. J., 303:21-26(1994).
GSK 활성을 저해하는 약제가 GSK 활성으로 매개된 장애의 치료에 유용하다. 게다가, GSK3 의 저해는 성장 인자 신호 전달 경로의 활성을 모방하고, 결과적으로 GSK3 저해제는 이러한 경로가 불충분하게 활성인 장애의 치료에 유용하다. GSK3 저해제로 치료될 수 있는 장애의 예는 무엇보다도 당뇨병, 알츠하이머 질환, 양극성 장애와 같은 CNS 장애, 및 면역강화-관련 상태를 포함한다.
GSK3 의 억제제가 많은 질환의 치료에 유용하기 때문에, GSK3 의 신규한 억제제의 동정은 매우 바람직할 것이다. 본 발명은 GSK3 활성으로 매개되는 다양한 질환 상태의 치료를 위한 가능한 치료 화합물을 동정하는 방법을 제공한다. 본원 발명의 방법은 가능한 치료 화합물을 동정하고 리드 치료 화합물의 구조를 최적화하기 위하여 단백질의 촉매 도메인을 함유하는 GSK3 구조체의 3 차원 구조를 이용한다.
(발명의 개요)
본 발명에 따라서, 사람 글리코겐 신타아제 키나제 3(GSK3) 구조체의 3차원 구조가 제공된다.
한 양태에서, 본 발명은 단백질의 촉매 키나제 도메인을 함유하는 사람 글리코겐 신타아제 키나제 3-β(GSK3-β) 구조체의 결정을 제공한다.
본 발명의 다른 양태에서, 구조 결정에 충분한 GSK3 결정을 제공하기 위해서 단백질 구조를 결정화하는 방법이 제공된다.
더 이상의 양태에서, GSK3 구조의 3차원 구조가 제공된다.
또 다른 양태에서, GSK3 활성에 의해서 매개되는 다양한 질환 상태의 치료에가능한 치료 화합물을 동정하기 위해 GSK3 구조체의 3차원 구조를 사용하는 방법이 제공된다.
본 발명의 전술한 양태와 수반되는 많은 이점은 수록되는 도면과 결부되어 읽혀질 때 다음 발명의 상세한 설명을 참고하여 더욱 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 GSK3-β 구조체 구조의 예시이다;
도 2는 GSK3-β 구조체 활성 부위 구조의 예시이다.
도 3은 GSK3-β 구조체의 3차원 구조를 사용하여 GSK3-β 활성을 매개하는 가능한 치료 화합물을 동정하는 본 발명의 대표적인 방법의 공정도이다.
도 4는 GSK3-β 구조체의 3차원 구조를 사용하여 GSK3-β 활성을 매개하는 가능한 치료 화합물을 동정하는 본 발명의 대표적인 방법의 공정도이다.
본 발명에 따라서, 단백질의 촉매 키나제 도메인을 포함하는 사람 글리코겐 신타아제 키나제 3-β(GSK3-β)의 단백질 구조체의 결정, 단백질 구조체를 결정화하는 방법, 단백질 구조체의 3-차원 구조, 및 GSK3-β 활성에 의해서 매개되는 다양한 질환 상태의 치료에 가능한 치료 화합물을 동정하기 위하여 3차원 구조를 사용하는 방법이 제공된다.
GSK3-β 단백질 구조체: 발현, 정제, 및 결정화
한 양태에서, 본 발명은 단백질의 촉매 키나제 도메인을 함유하는 GSK3-β를 함유하는 조성물을 제공한다. 구조체는 사람 GSK3-β 의 적어도 37-384 잔기를 포함하고 단백질의 C-말단에서 36 개의 아미노산이 결실된다. 조성물은 X-레이로의 회절 연구에 의한 구조 결정에 충분한 결정 형태이다.
예를 들어, 본원에 설명된 구조체를 제외한 GSK3 단백질 구조체, 예를 들어, 활성 돌연변이체 또는 그것의 변이체가 GSK3 활성에 의해서 매개되는 다양한 질환 상태의 치료에서 가능한 치료 화합물을 동정하는데 유용한 3차원 구조 정보를 제공할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
구조체 서열
구조체 서열, SEQ ID NO:1 은 하기에 제공된다. 별표는 결정 구조에서 보여지는 제1의 잔기를 나타낸다. 다음의 구조체 및 추가의 유용한 구조체 및 그들의 제조는 2000, 7 27 출원된 공유 출원중인 U.S. 특허출원 일련번호 60/221,242 에 개시되고, 이것의 개시물은 전체로서 그리고 모든 목적을 위해서 참고문헌으로 본원에 수록된다.
N-말단 : MEYMPMEGGGGSK
*VTTVVATPGQGPDRPQEVSYTDTKVIGNGSFGVVYQAKLCDSGELVAIKKVLQDKRFKNRELQIMRKLDHCNIVRLRYFFYSSGEKKDEVYLNLVLDYVPETVYRVARHYSRAKQTLPVIYVKLYMYQLFRSLAYIHSFGICHRDIKPQNLLLDPDTAVLKLCDFGSAKQLVRGEPNVSYICSRYYRAPELIFGATDYTSSIDVWSAGCVLAELLLGQPIFPGDSGVDQLVEIIKVLGTPTREQIREMNPNYTEFKFPQIKAHPWTKVFRPRTPPEAIALCSRLLEYTPTARLTPLEACAHSFFDELRDP NVKLPNGRDTPALFNFTTQELSSNPPLATILIPPHARI : C-말단 (SEQ ID NO : 1)
구조체 정제 GSK3-β 단백질 구조체를 GSK3-β 580 cDNA 구조체를 운반하는 바큘로바이러스로 감염된 SF-9 로부터 추출하였다. S-프락토겔(Fractogel), 페닐-650 M, 및 Glu-표지 친화성 크로마토그래피를 사용하여 명백하게 균일해지도록 GSK3-β 단백질 구조체를 정제하였다. 그 다음, 정제된 단백질을 결정화를 위하여 농축시켰다. 구조체의 정제는 실시예 1 에 설명된다.
구조체 결정화
단백질 결정은 예를 들어, 현적 기법에 의해서 GSK3 구조체 용액에서 형성될 수 있다. 구조 결정에 적합한 GSK3 구조체의 적합한 결정을 형성하는 대표적인 방법이 실시예 2 에 설명된다.
GSK3 활성에 의해서 매개된 다양한 질병 상태를 치료함에 있어서 가능한 치료 화합물의 동정에 유용한 3차원 구조 정보를 얻기 위해서 예를 들어, 미세결정 방법을 포함하여 다양한 결정화 방법이 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
GSK3-β 단백질 구조체의 구조
본 발명의 다른 양태에서, GSK3 단백질 구조체의 3차원 구조가 제공된다. 아미노산 서열 데이터 및 X-레이 회절 데이터에서 유도된 원자 좌표가 구조체의 3차원 구조를 결정하는데 사용되었다. 구조체의 원자 좌표는 X-레이 회절 및 위상 데이터를 조합하여 생성된 전자 밀도 지도로부터 계산된다.
GSK3 구조체가 구조 결정에 적합한 결정 형태로 이용가능함과 동시에, 결정 구조는 다양한 기법으로 얻을 수 있다. 대표적인 방법에서, 회절 패턴은 X-레이 영상화 플레이트 장치를 사용하여 얻어진다. 그 다음, 분자 치환과 교차 결정 평균화 기법을 조합하여 위상 데이터가 얻어진다. 그 다음, 전자 밀도 지도를 제작하였고, 구조를 분석하였고, 분자를 조립하였다. 결과의 구조를 정제하였고 구조를 확인하였다. 궁극적인 결과는 GSK3 구조체의 원자 모델이었다. GSK3 결정 구조를 얻는 대표적인 방법이 실시예 3에 설명된다.
다양한 방법에 의해서 GSK3 구조가 분석될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
결정학적 데이터를 수집하는 통계치가 표 1에 요약된다.
구조 분석을 위한 데이터 및 모델 통계치
천연 2.2Å
공간군 P222(1)
최고치 분해능(Å) 2.2
Rmerge(%) 10.4
I/σ(총) 13.7
최종 셸 2.26Å-2.20Å
I/Iσ(최종 셸) 3.3
R-인자(%) 26.2
무-R인자(%) 30.8
원자 좌표의 표작성으로 제공된 GSK3-β 구조체의 3차원 구조가 표2에 제공된다. 표에서, "OH2" 및 "GOL"은 구조상의 물 및 글리세롤 분자를 말하고, "TER"은 펩티드 사슬의 말단을 말한다.
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유도된 결정 구조에 기초한 GSK3-β의 3차원 구조는 도1에 도식적으로 예시된다. 구조체는 양 도메인간에 형성된 활성 부위를 가지는 N-말단 및 C-말단 도메인을 포함한다. N-말단 도메인은 β-배럴을 포함한다. 활성 부위 영역은 ATP 결합 부위, 마그네슘 결합/촉매 기저 부위, 및 기질 결합 부위를 포함한다.
유도된 결정 구조에 기초한 (촉매 부위와 기질 결합 부위를 포함하는) GSK3-β 구조체 활성 부위의 3차원 구조가 도2에 도식적으로 예시된다. 활성 부위는 다 른 아미노산 잔기중에서 Pro136 및 Phe67 을 포함한다.
아포단백질 활성 부위의 구조 정보는 GSK3-β활성에 의해서 매개되는 다양한 질환 상태를 치료하는데 유효한 치료 화합물을 유도하는 리간드의 합리적인 설계에 대한 기초를 제공할 수 있다. 따라서, 결정학 데이터로부터 얻어진 구조 정보는 하기에 설명된 대로 리간드 프로파일을 개발시키고 GSK3-β 활성을 매개하는 약물에 대한 합리적인 설계에 이용될 수 있다.
GSK3 구조 표시
상기에 언급한 바와 같이, 한 양태에서, 본 발명은 GSK3-β 활성으로 매개되는 다양한 질환 상태의 치료에 가능한 치료 화합물을 동정하는 방법을 제공한다. 이 방법은 GSK 구조체의 3차원 구조 표시의 사용을 포함한다. 3차원 구조 표시는 (a) 완전한 GSK 구조체, (b) GSK 구조체를 포함하는 GSK3의 단편, 또는 (c) GSK3 활성을 매개할 수 있는 리간드와 상호작용하는 아미노산을 포함하는 GSK 구조체 단편을 표시할 수 있다.
구조 표시는 바람직하게는 표2에 제시된 원자 좌표에 기초하거나, 또는 이로부터 유래되며, 이것은 완전한 GSK 구조체의 구조를 나타낸다. 적합한 구조 표시는 이들 원자 좌표로부터 유도된 3차원 모델과 분자 표면을 포함한다. 표2에서의 좌표는 구조상의 물과 글리세롤 분자를 포함한다. 이것은 구조적으로 유도된 다른 모델에서 다양할 것이고, 존재하지 않을 수 조차 있다(이들은 분해능 및 공간군 의존적이다). 이러한 용매 분자는 결정에 따라 다양할 것이다.
표2에 언급된 원자 좌표의 변이체, 예컨대 표 2에 언급된 원자 좌표와 비교 할 때, 모든 중원자(즉, 수소가 아님)에 대한 x, y, 및 z 좌표의 RMS 변이가 약 2.5Å 미만, 예를 들어, 약 2Å 미만, 바람직하게는 약 1Å 미만, 더욱 바람직하게는 약 0.5Å 미만, 가장 바람직하게는 약 0.1Å 미만인 변이체가 본 발명에 사용될 수 있다. 원자의 3차원 공간 관계를 보유하는 좌표 변형이 적합한 변이체를 제조하는데 또한 사용될 수 있다.
본원에 제공된 원자 좌표는 또한 더이상의 단백질 구조 모델의 기초로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 상동성 모델은 GSK 구조체 구조에 기초할 수 있다. 좌표는 또한 새로운 리간드를 가진 공결정 구조와 같은 GSK3 의 더 이상의 결정 구조의 분석 또는 정제에 사용될 수 있다.
GSK3 구조 표시 저장 매체
GSK 구조체의 원자 좌표는 컴퓨터(예를 들어, 슈퍼컴퓨터, 메인프레임, 미니컴퓨터, 또는 미니프로세서)와 같은 계산 장치로의 연속적인 사용을 위한 매체에 저장될 수 있다. 전형적으로, 좌표는 자석 또는 광학 매체와 같은 다량의 데이터 저장에 유용한 매체(예를 들어, 플로피 디스크, 하드 디스크, 컴팩트 디스크, 마그네토-광학 매체(자기 디스크, 또는 자기 테이프) 또는 전자 매체(예를 들어, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 또는 판독 전용 기억 장치(ROM))에 저장된다. 저장 매체는 컴퓨터에 로컬일 수 있거나, 멀리 떨어진 것일 수 있다(예를 들어, 인터넷을 포함하는 네트워크 저장 매체). 컴퓨터, 저장 매체, 네트워킹, 및 다른 장치 또는 기술의 선택은 구조/계산 화학 분야의 당업자에게 익숙할 것이다.
본 발명은 또한 컴퓨터용 컴퓨터-판독 매체를 제공하고, 이 매체는 GSK 구조 체의 원자 좌표 및/또는 3차원 구조 표시를 포함한다. 원자 좌표는 바람직하게는 표2에 나타난 좌표 또는 그것의 변형이다. 어떠한 적합한 컴퓨터든지 본 발명에 사용될 수 있다.
GSK3-β 리간드 프로파일 개발
상기에 언급된 대로, 결정학상의 데이터로부터 얻어진 구조 정보가 GSK3-β 활성을 매개하는 화합물의 합리적인 설계에 유용한 리간드 프로파일을 개발하는데 사용될 수 있다. 상기에 설명된 대로 얻어진 구조 정보를 고려함에 의해서 아포단백질에 대한 리간드 프로파일이 개발될 수 있다. 리간드 프로파일은 결합된 리간드를 갖는 단백질의 추가의 구조 결정과 함께 더욱 개발되고 정제될 수 있다. 궁극적으로 개발된 리간드 프로파일은 GSK3-β 활성을 매개하는 가능한 치료 화합물을 동정케한다.
리간드 프로파일은 일차적으로 리간드와 단백질 리간드 결합 부위간의 형태 상호작용에 기초할 수 있다. 형태 상호작용의 평가는 리간드의 배좌 특성, 리간드 결합 부위와 양립할 수 있는 저에너지 배좌를 획득하는 능력에 기초한 리간드 랭킹의 고려를 포함한다. 형태 상호작용은 리간드와 결합 부위간의 엔탈피 상호작용을 최대화하도록 탐색될 수 있다.
리간드 프로파일을 개발하는 방법은 매우 다양할 수 있다. 예를 들어, 프로파일은 전문가에 의해서 활성 부위 구조의 실제의 검사에 의해서 개발될 수 있다. 이러한 검사는 결합 부위와 리간드 구조 및 화합물 데이터베이스 검색의 고려를 포함할 수 있다. 프로파일의 개발은 다른 유사한 단백질과 공지된 리간드 결합 상호 작용의 고려뿐만 아니라 또한 생물학적 데이터 및 구조 활성 관계(SAR)를 고려할 수 있다.
어떤 경우에, 리간드 프로파일은 제1의 및 제2의 상호작용을 포함하는 리간드 결합 상호작용을 고려함에 의해서 개발되어 파마코포어(pharmacophore)를 나타낼 수 있다. 용어 "파마코포어"는 리간드 활성을 초래하는 특이적 특성을 나태내는 화학 특징 및 3차원 제한 조건의 집합을 말한다. 파마코포어는 다른 특징들 중에서, 표면-접근가능한 특징, 수소 결합 공여체 및 수용체, 하전된/이온 기, 및/또는 소수성 패치를 포함한다.
GSK3 활성을 매개하기 위하여 GSK3 와 상호작용하는 화합물을 동정하기 위해서, 상기에 언급된 리간드 프로파일 개발을 위한 방법에 추가적으로, 다른 구조-기초 약물 설계 기법이 GSK3 구조체의 구조 표시에 적용될 수 있다. 다양한 적합한 기술이 당업자에 의해서 이용가능하다.
구조 기초 약물 설계에의 사용을 위한 분자 모델링 기법을 수행하기 위한 소프트웨어 페키지는 무엇보다도 SYBYL(Tripos Inc., http://www/tripos.com 으로부터 구입가능); AMBER(Oxford Molecular, http://www/oxmol.co.ulc/로부터 구입가능); CERIUS2(Molecular Simulations Inc., http://www/msn.com/으로부터 구입가능); INSIGHT II(Molecular Simulations Inc., http://www/msn.com/으로부터 구입가능); CATALYST(Molecular Simulations Inc.,http:/lwww/msn.com/으로부터 구입가능); QUANTA(Molecular Simulations Inc., http://www/msn.com/으로부터 구입 가능); HYPERCHEM(Hypercube Inc., http://www/hyper.com/으로부터 구입가능); FIRST DISCOVERY(Schrodinger Inc., http://www/schrodinger.com 으로부터 구입가능), MOE(Chemical Computing Group,http://www/chemcomp.com로부터 구입가능), 및 CHEMSITE(Pyramid Learning, http://www/chemsite.org/로부터 구입가능)을 포함한다.
모델링 소프트웨어는 GSK3 결합 표면을 결정하고 반데르발스 힘, 정전기 상호작용, 및/또는 수소 결합 가능성과 같은 특징을 나타내는 데 사용될 수 있다. 이러한 결합 표면은 파마코포어 가설에 도달하기 위하여, 그리고 새로운 가능한 치료 화합물을 설계하기 위하여 GSK3 를 가진 리간드의 도킹을 모델화하는데 사용될 수 있다.
GSK3-β 리간드 실제의 스크리닝
아포단백질의 3차원 구조, 및 특히 단백질의 활성 부위의 구조는 활성 부위와 화합물의 적합성을 결정하는 것을 허용한다. 고속 도킹 프로그램을 사용하여, 예를 들어, 화합물 데이터베이스로부터 각각의 화합물이 활성 부위 결합에 대하여 평가될 수 있다. 특정 화합물의 적합성이 평가되고 기록될 수 있다. 그 다음, 기록 개시의 세팅은 용액으로서의 화합물 패밀리를 실제의 스크린에 제공할 수 있다.
제1의 수준에서, 실제의 스크린은 아포단백질의 활성 부위의 3차원 구조를 고려한다. 제2의 수준에서, 실제의 스크린은 리간드 프로파일을 고려하고 결합된 리간드를 갖는 단백질 구조의 결정으로부터 얻어진 정보를 이용할 수 있다. 결합된 리간드에 대한 구조 정보가 없는 경우조차도 실제의 스크린이 가능하다.
실제의 스크린으로부터 얻어진 정보는 리간드 프로파일을 더욱 개발시키기 위해서 고려될 수 있다. 대안으로, 실제의 스크린의 결과가 가망성 있는 화합물을 표시하는 경우, 화합물이 얻어지고 관련된 생물학적 활성에 대하여 스크린될 수 있다.
도킹
도킹은 2 또는 그 이상의 분자가 에너지 고려에 기초하여 배열되는 과정을 말한다. 도킹은 분자간에 형성된 복합체의 배좌를 예측하기 위해서 2 또는 그 이상의 분자의 3차원 구조를 배열한다(예를 들어, Blaney & Dixon (1993) Perspectives in Drug Discovery and Design 1: 301 참조). 본 발명의 실행에서, 분자는 GSK3 와 상호작용하는 그들의 능력을 평가하기 위해서 GSK3 구조체 구조와 함께 도킹된다.
도킹은 리간드와 그것의 수용체를 기하학적으로 매칭하거나, 상호작용 에너지를 최소화함으로써 이루어질 수 있다. 기하학적 매칭 알고리즘은 그들의 상대적인 속도때문에 바람직하다.
적합한 도킹 알고리즘은 구조-기초 약물 설계에 대표적인 프로그램인 DOCK (Kuntz et al. (1982) J. Mol. Biol. 161: 269-288, UCSF 로부터 구입가능); 그리드-기초 몬테 칼로 시뮬레이션된 어닐링을 사용하여 수용체에 유연성있는 방식으로 리간드를 도킹하는 AUTODOCK(Goodsell & Olson (1990) Protein: Structure, Function and Genetics 8: 195-202 Oxford Molecular, http://www/oxmol.co. usw 에서 구입가능)을 포함한다. 엄격한 도킹에서의 개시 배좌는 일반적으로 리간드의 최소 에너지 배좌를 향하여 기울는 반면에, 결합 배좌는 상대적으로 높은 구조 에 너지일 수 있기 때문에, AUTODOCK 과정의 유연한 성질이 사용자 검색자에 의해서 도입된 (예를 들어, 활성 부위에서의 리간드 배향 및 배좌에서의) 바이어스를 방지하도록 도와준다(Nicklaus et al. (1995) Bioorganic & Medicinal Chemistry 3: 411).
다른 적합한 도킹 알고리즘은 시뮬레이션된 어닐링 검색 알고리즘이 리간드를 유연하게 도킹시키는데 사용되고, 그리드-기초 에너지 평가가 도킹된 배좌를 기록하는데 사용되는 MOE-DOCK(Chemical Computing Group Inc., http://www/chemcomp.com 로부터 구입가능);, 부위에서 리간드를 설계하는 증식적인 설계 알고리즘을 사용하여 결합 부위에 구조적으로 유연한 리간드를 도킹하고, 리간드-수용체 상호작용의 강도에 기초하여 도킹된 배좌를 기록하는 FLExX(Tripos Inc., http://www/tripos.com으로부터 구입가능); 에너지 기능은 부분적으로 배좌 및 비결합 접촉 정도에 기초하고, 총 리간드 및 부분적인 단백질 유연성을 가지고, 유연한 리간드 도킹에 대한 유전적 알고리즘인 GOLD (Jones et al. (1997) J. Mol. Biol. 267: 727-748); 리간드를 도킹하는데 2 단계 과정을 사용하는 AFFINITY (Molecular Simulations Inc., http://www/msn.com/에서 구입가능)를 포함한다: 첫째로, 배좌 및 데카르트 공간 모두를 검색하기 위하여 몬테 칼로형 과정을 사용하여 수용체내의 리간드의 초기 배치가 이루어졌다; 두번째로, 시뮬레이트된 어닐링 위상이 각 리간드 배치의 위치를 최적화하고, 이 위상 동안에, AFFINITY 는 수용체(결합 부위에서의 원자는 아님) 고정의 "벌크"를 유지하는 반면에, 결합 부위 원자 및 리간드 원자는 이동가능하다; 보유된 배좌 샘플링에서의 최상의 결과를 가지고, 최상의 결합 모드 및 확률론적인 배좌 검색 기법을 자동적으로 찾기 위하여 리간드-수용체 복합체의 에너지를 사용하는 C2 LigandFit(Molecular Simulations Inc., http://www/msn.com/으로부터 구입가능). 그리드 방법은 엄격한 수용체와 유연한 리간드 원자간의 비결합 상호작용을 평가하는데 사용된다. DOCKIT (Metaphorics LLC에서 구입가능)는 고속의 유연성있는 리간드 도킹을 위한 거리 기하학을 사용한다. GLIDE(Schrodinger Inc.에서 구입가능)은 유연한 도킹을 위한 미리-계산된 에너지 그리드 및 효율적으로 제거된 체계적인 검색을 사용한다.
바람직하게는 도킹 알고리즘은 고처리량 모드로서 사용되고, 유력한 리간드의 거대한 구조 라이브러리의 요소들이 수용체 구조에 대하여 스크린된다(Martin (1992) J : Med. Chem : 35 : 2145-54).
적합한 구조 라이브러리는 ACD(Chemical Directory, form MDL Inc.로부터 구입가능), AsInEx, Bionet, ComGenex, Derwent World Drug Index (WDI), Contact Service Company database, LaboTest, ChemBridge Express Pick, ChemStar, BioByteMasterFile, Orion, SALOR, TRIAD, ILIAD, National Cancer Institute database (NCl), 및 Aldrich, Fluka, Sigman 및 Mabridge 카탈로그를 포함한다. 이들은 상업적으로 구입가능하다(예를 들어, Oxford Molecular, 또는 Tripos 로부터의 LeadQuestTM 파일로부터의 HTS 화학제)
파마코포어의 한정
상기에 언급된 대로, 파마코포어는 다른 특징중에서 표면 접근가능한 특성, 수소 결합 공여체 및 수용체, 하전된/이온기, 및/또는 소수성 패치를 포함하는 GSK3 구조체에 대하여 한정될 수 있다. 이러한 특징은 활성을 부여하는 그들의 상대적인 중요성에 따라서 강화될 수 있다(예를 들어, Coznputer-Assisted Lead Finding and Optimization (eds. Testra & Folkers, 1997) 참조).
파마코어는 CATALYST(HypoGen 또는 HipHop 포함, 몰레큐어 시뮬레이션사로부터 구입가능함 http://www/msn.com/), CERIUS2 와 같은 소프트웨어를 사용하여 결정될 수 있거나, 리드 화합물의 공지된 배좌를 기초로 수동 제작될 수 있다. 파마코아는 CATALYST 와 같은 프로그램을 사용하여 구조 라이브러리를 스크린하는데 사용될 수 있다. CLIX 프로그램(Davic & Lawrence(1992) Proteins 12:31-41)이 또한 사용될 수 있고, 이것은 수용체와 상호작용하는 화학기와 최대의 공간 부합을 나타내는 구조 데이터베이스에서 후보 분자의 배향을 검색한다. DISCO 프로그램(Tripos에서 구입가능함)은 각각의 구조에서 일반적인 파마코포어 특징을 동정하기 위하여 클리크(clique) 검출 방법을 사용하여, 최적으로 배열된 구조를 제작하고, 파마코포어의 주요한 특징을 뽑아낸다. GASP 프로그램(Tripos에서 구입가능함)은 배좌 탄력성을 가진 파마코포어를 자동적으로 찾기 위한 유전적 알고리즘을 사용한다.
새로운 화합물 설계
GSK3 구조체의 결합 표면 또는 파마코어는 기능기(예를 들어, 양자, 히드록실기, 아민기, 산성기, 소수성기 및/또는 이가 양이온) 또는 작은 분자 단편에 유리한 상호작용 위치를 지도화하는데 사용될 수 있다. 그 다음, GSK3 와 상호작용하 도록 관련 기능기가 올바른 공간 관계에 위치된 화합물이 새로이 설계될 수 있다.
일단 GSK3 의 결합 표면의 특이적 부위와 상호작용할 수 있는 작용기 또는 작은 분자 단편이 동정되면, 이들은 올바른 크기 및 기하학적 배열을 가지는 브리지 단편 또는 유리한 배향에서 작용기를 지지할 수 있는 구조를 사용하여 1개의 화합물에 연결됨으로써 본 발명에 따른 화합물을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로 기능기를 연결하는 것이 수동으로 수행될 수 있는 반면에, 아마도 QUANTA 또는 SYBYL 과 같은 소프트웨어를 이용하여, 자동화 또는 반자동화된 새로운 설계 접근법이 또한 사용될 수 있다.
적절한 새로운 설계 소프트웨어는 일반적인 원자의 밀폐-팩된 배열로 수용체 결합 부위를 채우고, 원자형, 위치, 결합 배열 및 다른 특성을 무작위로 다양화하기 위해서 몬테 칼로 과정을 사용하는 MCDLNG(Gehlhaar et al. (1995) J. Med. Chem. 38 : 466-72); 데이터베이스로부터 얻어진 분자 템플릿을 가진 다수의 기능기와 연결하는, Molecular Simulations Inc., http://www/msn.com 으로부터 구입가능한, MCSS/HOOK (Caflish et al. (1993) J Med Chem. 36 : 2142-67; Eisen et al. (1994) Proteins : Str. Funct. Genet. 19: 199-221; 리간드에 의해서 이상적으로 실행되는 상호작용의 위치를 계산하고, 수용체와 상호작용하는 그들의 능력에 기초하여 결합 위치에 단편을 배치하고, 그 다음 리간드를 제작하도록 그들을 연결시키는, Molecular Simulations Inc., http://www/msn.com)으로부터 구입가능한, LUDI (Bohm (1992) J Comp. Sided Molec. Design 6: 61-78; (수동으로 또는 자동으로 배치된)초기의 "시드" 단편으로 시작하여 외측으로 리간드를 발전시키는 GROW (Moon and Howe (1991) Proteins : Str. Ftinct. Genet. 11: 314-328); 결합 포켓(HIPPO 모듈)내의 유리한 수소 결합 및 소수성 영역을 동정하기 위한 분자를 포함하고, 기능기를 선택하여 구조 생성(EleFanT)을 위한 입체 단편을 형성하도록 표적 부위에 그들을 위치시키고, 개시 단편상에서 스페이서 단편을 증대시키고 그 다음 결과의 부분적인 골격(SPIDeR)을 연결시킴으로써 결합 포켓의 입체 제약을 만족시키는 골력을 제작하고, 수용체 부위의 정전기적 특성에 상보적인 특성을 가지는 분자(MARABOU)를 제작하도록 골격에 헤테로 원자를 치환하고, ALLigaTOR 모듈을 사용하여 분석이 클러스터되고 기록되는 SPROUT(http://chem.leeds.ac. ulc/ICAMS/SPROUT.html 로부터 구입가능); 미세하게 단계식으로 구조를 변형시키고 새로운 화합물의 결합 에너지를 빠르게 평가함에 의해서 리간드를 평가하고, 변형된 결합 에너지에 기초하여 변화를 유지 또는 폐기시키고, 수용체와의 상호작용 에너지를 증대시키도록 구조를 개발시키는 LEAPFROG(Tripos Inc., http:// www/tripos.com로부터 구입가능); 화학적으로 합리적인 구조를 가지고 수용체 결합 부위에 호의적인 입체 및 정전기적 성질을 가지는 리간드를 제작하기 위하여, 일반적인 유기 템플릿의 라이브러리와 리간드와 수용체간의 비결합 상호작용의 완전한 실험상의 힘 필드 설명을 사용하는, GROUPBUILD(Rorstein et al. (1993) J Med Chem. 36: 1700); 비환식 분자를 제한하기 위하여 연결 단위를 설계하는 CAVEAT(Lauri and Bartlett (1994) Comp. Aided Mol. Design 8: 51-66); 및 RASSE(Lai (1996) J. Chem. Inf Comput. Sci. 36: 1187-1194)를 포함한다.
GSK3-β 리간드
구조 기초 설계 사이클을 개시하는 대부분의 리드 화합물은 고처리량 스크리닝으로 동정된다. 상기에 설명된 고처리량 스크리닝 및 리간드 프로파일 및 실제의 스크리닝의 결과로서, 적절한 형태를 취하여 단백질의 활성 부위와 결합하기 위한 필수적인 배좌 에너지를 가지는 리간드가 동정된다. 낮은 배좌 에너지와 아포단백질 활성 부위와의 공간 적합성을 가지는 것에 추가하여, 동정된 리간드는 바람직하게는 합성적으로 접근가능하다. 그 다음, 동정된 리간드가 얻어질 수 있고(예를 들어, 상업적으로 얻어지거나 합성가능하다), 생물학적 활성에 대하여 스크린된다. 동정된 리간드는 또한 단백질 구조체와 함께 공동-결정화되고, 결합된 리간드를 갖는 단백질에 대한 3차원 구조가 결정될 수 있다. 그 다음, 결합된 리간드를 갖는 단백질의 구조로부터 얻어진 정보는 상기에 설명된 대로 리간드 프로파일을 더욱 개발시키기 위하여 사용될 수 있다.
리간드의 생물학적 활성을 평가하기 위한 적합한 GSK3-β 생물학적 스크리닝 방법은 예를 들어, 본원에 전체로서 참고문헌으로 수록된, 2000, 3, 29에 출원된, U.S.특허출원번호 60/193,043 에 언급된 방법을 포함한다.
GSK3 결정 구조를 이용하는 합리적인 약물 발견 방법
다른 양태에서, 본 발명은 GSK3-β 와 결합하여 이것의 활성을 조절하는 리간드를 설계하기 위하여 GSK3 결정 구조, 구체적으로는 GSK3 구조체의 활성 부위의 3차원 구조를 사용하는 방법을 제공한다.
한 양태에서, 본 방법은 치료 화합물을 설계하기 위한 반복적인 구조 기초 방법이다. 대표적인 방법이 도3에 도시된 공정도로 표시된다. 도3에 관하여, 아포 단백질의 결정 구조 및 결합된 리간드를 가지는 단백질이 각각 단계 102 및 104에서 결정된다. 단계 102 및 104 에서 얻어진 구조 정보로부터, 리간드 프로파일이 단계 106에서 개발된다. 리간드 프로파일은 또한 아포단백질의 결정구조로부터 직접적으로 개발될 수 있다. 결과의 프로파일을 사용하여, 새로운 리간드가 설계되고 및/또는 얻어지고, 생물학적 활성에 대하여 스크린되고, 및/또는 단계 108 에서의 단백질과 공동-결정화되거나, 또는 대안으로, 리간드 프로파일이 단계 110에서 실제의 스크린에 사용될 수 있다. 개발된 프로파일로부터 얻어진 리간드가 공동-결정화된다면, 공동-결정의 구조는 단계 104에서 결정되고, 결과의 구조 정보가 단계 106에서 리간드 프로파일을 더욱 개발하기 위하여 사용된다. 리간드 프로파일이 단계 110 에서 실제의 스크린에 사용된다면, 실제의 스크린은 성공적이어서 단계 108 에서 얻어지고, 스크린되어지고, 및/또는 공동-결정화될 수 있는 하나 이상의 리간드를 동정한다. 실제의 스크린이 적합한 리간드를 동정하는데 성공적이지 않다면, 리간드 프로파일은 단계 106 에서 더욱 개발된다.
리드 화합물은 리간드 프로파일에 의해서 개발된 리간드의 생물학적 스크리닝으로부터 동정될 수 있다. 리드 화합물을 동정하는 대표적인 방법은 도4에 도시된 공정도에 의해서 표시된다. 도 4에 관하여, 아포단백질 및 결합된 리간드를 갖는 단백질의 결정 구조가 각각 단계 202 및 204에서 결정된다. 단계 202 및 204 로부터 얻어진 구조 정보로부터, 리간드 프로파일이 단계 206에서 개발된다. 리간드 프로파일은 또한 아포단백질의 결정 구조로부터 직접적으로 개발될 수 있다. 결과의 프로파일로부터, 새로운 리간드가 단계 208에서 설계되고 및/또는 얻어질 수 있 고, 단계 210 에서 생물학적 활성에 대하여 스크린되어지거나, 및/또는 단계 212에서의 단백질과 함께 공동-결정된다. 생물학적 스크린이 성공적이라면, 리드 화합물은 단계 214에서 동정된다. 연속적인 반복에서, 리드 화합물은 단계 212에서 공동-결정될 수 있고, 신약 후보가 동정될 때까지 계속 반복한다. 생물학적 스크린이 성공적이지 않다면, 단계 206에서 리간드 프로파일을 더욱 개발하기 위해 그 정보가 사용될 수 있다. 리간드가 공동-결정화된다면, 공동-결정 구조는 단계 204 에서 결정될 수 있고, 구조 정보는 단계 206 에서 리간드 프로파일을 더욱 개발하기 위해서 사용된다.
대안으로, 리간드 프로파일의 결과는 단계 216 에서 실제의 스크린에 사용될 수 있다. 실제의 스크린이 성공적이어서 하나 이상의 리간드를 동정할 수 있다면, 리간드가 단계 208 에서 얻어질 수 있고, 생물학적 활성을 결정하기 위해서 단계 210에서 스크린되고, 여하튼 리드 화합물이 동정되었다. 또한 단계 208 에서 얻어진 리간드가 단계 212 에서 공동 결정될 수 있고, 그것의 구조가 결정되고, 결과의 정보가 리간드 프로파일을 더 개발하기 위해서 사용된다. 실제의 스크린이 적합한 리간드를 동정하는데 성공적이지 않다면, 리간드 프로피일은 단계 206 에서 더 개발된다.
GSK3 리간드 및 그들의 이용
본 발명의 방법은 GSK3 와 상호작용할 수 있는 리간드를 동정한다. 이러한 화합물은 새로이 설계될 수 있고, 공지된 화합물일 수 있거나, 또는 공지된 화합물에 기초할 수 있다. 화합물은 그 자체로 유용한 제약일 수 있거나, 또는 결합 친화 성 또는 다른 약리적으로 중요한 특성(예를 들어, 생체내 이용가능성, 독성, 대사기능, 약물동태학)을 개선시키기 위해서 더 이상의 제약 정제(즉, 리드 화합물)에 사용될 수 있다.
따라서, 다른 양태에서, 본 발명은 (1) 본 발명의 방법을 사용하여 동정된 화합물; (2) 제약으로서의 사용을 위해 본 발명의 방법을 사용하여 동정된 화합물; (3) GSK3 활성을 매개하는 약제의 제조에 있어서 본 발명의 방법을 사용하여 동정된 화합물의 사용; 및 (4) GSK3 활성을 매개하는데 효과적인 본 발명의 방법을 사용하여 동정된 화합물의 양을 투여하는 것을 포함하는 GSK3 활성으로 매개된 질환으로 감염된 환자를 치료하는 방법을 제공한다.
화합물은 바람직하게는 ㎛, 더욱 바람직하게는, ㎚ 범위 또는 그 이상으로 결합 제한 조건을 가지는 GSK3 와 상호작용한다.
각각 유용한 화합물뿐만 아니라, 구조-기초 설계 기법에 의해서 동정된 리간드가 또한 종래의 생체외 또는 생체내 스크리닝 방법용 화합물의 라이브러리를 제안하는데 사용될 수 있다. GSK3-결합 활성을 스크리닝하기 위해서 리간드에서 중요한 제약 모티프가 동정되고 화합물 라이브러리(예를 들어, 조합 라이브러리)를 의태할 수 있다.
전술한 설명과 본 발명의 다른 양태는 다음의 대표적인 실시예와 결부하여 더욱 이해될 수 있다.
(실시예 1)
GSK3-β 구조체 정제
이 실험에서, GSK3-β 단백질 구조체의 정제가 설명된다. 구조체를 GSK3-β 580 cDNA 구조체를 운반하는 바큘로바이러스로 감염된 SF-9 세포에서 추출하였고, 하기에 설명된 바와 같이 S-프락토겔, 페닐-650 M, 및 Glu-표지 친화성 크로마토그래피를 사용하여 명백하게 균일해질 때까지 정제하였다.
추출
감염된 SF-9 세포의 20L 발효액으로부터의 세포 페이스트를 100mL PBS(10 mM NaPi, pH 7.5, 150 mM NaCl)로 세척하였고, 그 다음 완충액 H(20 mM Tris, pH 7.5, 1 mM 텅스테이트, 1 mM 비산염, 50mM DTT, 10 ㎍/mL 류펩틴, 1 ㎍/mL 펩스타틴 A, 10% 글리세롤, 0.35% 옥틸 글리코사이드, 1 mM Mg2+)의 300mL 로 재현탁하였다. 세포는 10mL 다운서(페스텔 B 로 20 회)에서 균질화되었다. 세포 데브리스 및 핵을 제거하기 위하여 조합된 호모지네이트를 35분동안 40,000rpm 으로 Ti45 회전기에서 원심분리하였다. 원심분리된 상청액을 조심스럽게 데칸트하였고 0.45μ 필터를 통하여 여과시켰다.
S-프락토겔 크로마토그래피
175 mL S-프락토겔(EM Science, Cat #num;18882)을 5cm x 8.9 cm 칼럼에 채워넣고, 완충액 A(20 mM Tris, Ph 7.5, 10% 글리세롤)의 5 칼럼 부피로 평형화시켰다. 여과된 상청액을 로딩하기 전에, 50mM DDT 를 함유하는 완충액 A 의 1 칼럼 부피를 평형화된 칼럼위로 통과시켰다. 그 다음, 이전의 단계에서의 여과액을 칼럼상 에 20mL/분으로 로딩시켰다. 칼럼을 50mM DDT 를 함유하는 완충액 A 의 3 칼럼 부피 및 완충액 A 의 2 칼럼 부피로 세척하였고, 20 칼럼 부피 이상의 완충액 A 에서 0 내지 1 M NaCl 직선 구배로 용출시켰다. 용출액을 20mL 분획으로 분취하였다. GSK3 를 함유하는 분획을 항-GSK 항체를 사용하여 웨스턴 블로트로 검출하였다(Santa Cruz Biotech, Cat#; SC-7291). 웨스턴-블로트 양성 분획을 모았고 동량의 완충액 M(20 mM Tris, pH 7.5, 10% 글리세롤, 3.1 M NaCl)과 혼합하였고, 0.45μ 필터를 통하여 여과시켰다. 이 여과액을 페닐-650 M 크로마토그래피에 사용하였다.
페닐-650 M 크로마토그래피
37.5mL 페닐-650 M(Tosohass, Cat#014943)을 2.2 x 10cm 칼럼에 채워넣고, 완충액 C(20 mM Tris, pH 7.5, 10% 글리세롤, 1.6 M NaCl)의 5 컬럼의 부피로 평형화시켰다. S-프락토겔 단계에서의 여과액을 7.5mL/분으로 칼럼에 로딩하였다. 로딩이 완결된 후에, 컬럼을 완충액 C 의 5 칼럼 부피로 세척하였고, 20 칼럼 부피 이상의 0% 내지 100% 완충액 A(20mM Tris, pH 7.5, 10% 글리세롤) 직선 구배로 용출시켰다. 분획을 각각 15mL 씩 수거하였고, 분획을 함유하는 GSK 를 항-GSK 항체를 사용하여 웨스턴 블로트로 검출하였다. 웨스턴 양성 분획을 모아서 Glu-표지 G항체 친화성 칼럼상에 로딩하였다.
Glu-표지 친화성 크로마토그래피
50mg 의 Glu-표지 항체를 28mL 의 Affi-겔 10(BioRAD, Cat#;153-6046)상에 고정화시켰고 2.2 x 6.5cm 칼럼에 채워넣었다. 칼럼을 완충액 D(20 mM Tris, pH 7.5, 20% 글리세롤, 0.3 M NaCl, 0.2% 옥티글루코사이드)의 5 칼럼의 부피로 평형화시켰고, 페닐-650M 단계에서의 분획 모음을 2.8mL/분씩 로딩하였다. 로딩이 완결된 후에, 칼럼을 완충액 D 의 5 칼럼 부피로 세척하였고, 그 다음 완충액 D 에서 100mL Glu-표지 펩티드(100㎍/mL)로 융출시켰고, 4mL 분획으로 분취하였다. 분획을 함유하는 GSK 를 SDS-PAGE 로 검출하였고, 코마진 블루 염색하였다. 이러한 분획을 수거하였고, 농축시켰고, 10 k MWCO YM10 멤브레인을 사용하여 아미콘 농축기에 약 4.8mg/ml 로 완충액 D 에 여과시켰다. 그 다음, 농축된 물질을 결정화시켰다.
(실시예 2)
GSK3-β 구조체 결정화
이 실험에서, GSK3-β 단백질 구조체의 결정화가 설명된다. 결정화 프로토콜은 4.8mg/ml 의 농도로 1X TBS 완충액, 0.3 M NaCl, 20% 글리세롤, 0.2 % 옥틸 글루코피라노사이드, 5 mM DTT 를 함유하는 용액에서의 GSK3β를 이용한다. 현적방법을 사용하여 증기 확산으로 결정을 증대시켰다. 요약하면, 24-웰 린브로 배양 플레이트의 각 웰을 10% 폴리에틸렌 글리콜 6000(PEG6000), 5% 2-메틸-2,4-펜탄디올(MPD), 0.1M HEPES 를 함유하는, pH 7.5 인 0.5mL 의 용액으로 채우고, 그 다음 3㎕의 단백질 용액을 글래스 커버슬립상에 적량으로 3㎕ 의 웰 용액과 혼합하였다. 그 다음 커버 슬립을 웰의 저장소상에 놓았다. 그 다음, 플레이트를 4℃에서 저장하였다. 3-30일내에 웰의 50-90%에 결정이 생성되었다.
대표적인 GSK3 결정은 매우 다형적이고 공간-군 및 단위 세포 차원 모두에서 변형을 나타내고, 화합물 침액동안과 조건에서의 미묘한 변화에 반응하여 공간군 변환을 보인다. 3개의 공간군이 GSK3 결정체에서 동정되었고, 아래에 나타낸다. 모든 공간군에서의 공간군 차원 및 공간군 C2 에서 β각은 종종 각각의 결정간에 10% 씩 다양할 수 있다. 공간군 및 차원은 하기와 같다. C222(1)이 가장 우세한 공간군이고, 이어서 C2, 및 그 다음 P222(1)이다. C2 는 화합물이 결정에 침액될 때에 보여진다.
C222(1): a=89.874 b=102.514 c=108.194 α=90 β=90 γ=90
C2: a=102.366 b=89.598 c=110.438 α=90 β=96.983 γ=90
P222(1): a=86.328 b=103.061 c=102.846 α=90 β=90 γ=90
데이터 수집을 위해서 결정은 12% PEG 6000, 11% MPD, 0.1 M HEPES pH 7.5, 20% 글리세롤로 이루어지는 저온용액에서 동결보호될 수 있다. 저온 용액은 약 10 내지 약 14중량% 폴리에틸렌 글리콜(PEG 6000), 약 9 내지 약 13 중량% 의 2-메틸-2,4-펜탄디올(MPD), 및 약 18 내지 약 22중량%의 글리세롤을 포함할 수 있다. 저온용액은 약 7.3 내지 약 7.7의 pH 를 가질 수 있다.
(실시예 3)
GSK3-β 구조체 결정 구조 분석
본 실험에서, GSK3-β 단백질 구조체의 결정 구조를 분석하는 대표적인 방법이 설명된다.
GSK3β의 결정 구조는 분자 치환 및 교차-결정 평균화의 조합을 사용하여 분석되었다. (잔기 53-352를 함유하는) GSK3β 의 상동성 모델과 프로그램 EPMR[CR Kissinger, DK Gehlhaar, 및 DB Fogel. Rapid automated molecular replacement by evolutionary search. Acta Crystallogr DBiol Crystallogr. 1999 Feb; 55 (Pt2) : 484-91]를 사용하여 C222(1) 결정 형태에 대한 분자 치환 용액을 얻었다. 템플릿으로서 CDK2(PDB 승인코드 1JST)의 인산화 형태를 사용하여 상동성 모델을 제작하였다. 초기 분자 치환 용액은 53.9%의 R 인자를 가진 모델을 생성한다. 그 다음, 이 모델을 정제 마크로사이클의 몇번의 순환을 통하여 처리하였다. 전형적인 정제 마크로사이클은 100-200 회의 컨쥬게이트 구배 최소화, 토션 또는 데카르트 역학으로 시뮬레이트된 어닐링, 및 그룹화 또는 각각의 온도 인자 계산으로 구성된다. 모든 정제 과정은 프로그램 CNX(Molecular Simulation, Inc.)을 사용하여 수행되었다. 이어서, 새로운 전자 밀도 지도를 계산하고 프로그램 O(DATAONO AB)를 사용하여 이 지도내의 특징에 기초한 모델을 수동으로 재설계하였다. 데이터의 C222(1) 셋트에서 30Å-2.8Å으로부터의 모든 데이터를 사용하였다. 수많은 정제 마크로사이클에도 불구하고, 모델은 35%의 R 인자 이상(0.41의 무R인자)으로 개선하는 것이 불가능하였다. 올바르지 않은 구조에 대한 바이어스는 고-분석 데이터의 부족 및 정제에서 측정할 수 있는 데이터에 대한 낮은 비율의 매개변수에 의해서 야기되었다.
이러한 바이어스를 경감시키기 위해서, 교차-결정 평균화가 초기 분자 치환 용액에 의해서 제공된 위상을 개선시키기 위해서 사용되었다. 교차-결정 평균화에서, 구조의 2 또는 그 이상의 별개의 "관점(view)"을 광범위하게 상이한 단위 세포 차원 및/또는 공간군으로부터 얻었다. 그 다음, 전자 밀도의 푸리에 재구성과 각각의 별개의 결정내에서 실제의 전자 밀도의 개선된 관점에 대한 더욱 정확한 위상을 제공하기 위해서 이러한 관점의 전자 밀도가 함께 평균화된다. 교차 결정 평균화의 경우에, ((하기에 예시된) 화합물 1의 1-3mM 에서 GSK3β의 침액으로부터 얻어진) C222(1) 결정 데이터 세트 및 C2 결정 데이터 세트를 사용하였다. 2 개의 분자 치환 용액을 부분적으로 정제된 GSK3β 모델을 사용하여 C2 결정 형태에 대하여 얻었고; 이러한 용액은 C2 세포의 비대칭 유니트에서 GSK3β의 2 개의 분자를 나타내었다. 그 다음 C222(1) 결정 형태와 C2 결정 형태의 분자 사이의 실제-공간 변환이 계산되었다. 이어서, C222(1) 결정 형태에서 정제 마크로사이클을 개괄하는 10 개의 구조 앙상블로부터의 위상 및 성능지수가 프로그램 DMMULTI[K. Cowtan. Joint CCP4 and ESF-EACBM Newsletter on Protein Crystallography 1994; 31, pp 34-38]이고 모든 데이타는 2.7Å인 것을 사용하여 C2 결정 형태의 데이터에 대하여 평균화되었다. 평균화의 100 사이클동안, 용매-편평화, 및 막대그래프 매칭이 수행되었다. 이어서, 개선된 전자 밀도 지도를 계산하여 모델을 다시 설계하였고, 다른 정제 마크로사이클, 및 다른 순환의 교차-결정 평균화를 하였다. 5 개의 총 평균화/정제 순환이 수행되었다. 2-5 순환에서, C222(1) 에서 중요한 에러가 발견되었고, 이를 수정하였고, 거대분자의 나머지(잔기 37-384)를 제작하였다. 최종 C222(1) 결정 구조는 생물학적으로 관련된 분자, 79 물, 및 하나의 추정되는 클로라이드 이온으로 구성되고, 30Å-2.7Å의 데이터를 사용하여 22.46%의 R-인자 및 28.22%의 무R인자를 가진다.
Figure 112003009528449-pct00172
C222(1) 결정 구조의 정제를 완결한 다음에, 그 다음, 결과의 모델 및 분자 치환을 2개의 침액-화합물 C2 결정과 P222(1) 결정에서의 분자의 위치 및 구조를 결정하는데 사용했다. 현재의 최상의 GSK3β 구조는 2.2Å까지 회절하는 화합물 2(하기에 예시)와의 침액동안 얻어진 P222(1) 결정이다. 이 구조는 비대칭 유니트에서 생물학적으로 관련있는 거대분자의 2개의 카피, 336 물, 6 글리세롤로 이루어진다; 이 구조는 30Å-2.2Å의 데이터를 사용하여 26.2%의 R-인자 및 30.8%의 무R-인자를 가진다. 화합물 2는 관찰된 활성 부위에서 충분히 높은 점유에 이르지 않았다.
Figure 112003009528449-pct00173
이러한 접근법이 당시의 이용가능한 데이터 수집 이용의 실제적인 제한에 기인하여 구조를 결정하는 데 사용되었다. 단일/다중 동형 치환 또는 그것들 스스로의 또는 분자 치환과 조합되는 MAD 위상동기와 같은 종래의 방법이 대등하게 사용될 수 있었다. 이러한 방법의 설명 및 다른 결정학 원칙은 B. K. Shoichet 및 D. E. Bussiere, 약물 개발을 위한 고분자 결정학과 구조의 역할: 진보 및 경고에서 찾아볼 수 있다. 약물 발견 및 개발에 대한 현재의 고찰 2000; 3(4): 408-422 에서 찾아볼 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예가 예시되고 설명되는 동시에, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

서열목록 전자파일 첨부

Claims (18)

  1. GSK3 단백질의 원자 모델을 제공하는 방법으로서, 하기의 단계들로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법:
    (a) GSK3 단백질의 3차원 구조를 모델링하기에 충분하고, 표 2에 제시된, 결정 형태의 GSK3 단백질의 원자 좌표 데이터가 저장된 컴퓨터 판독 매체를 제공하는 단계;
    (b) GSK3 단백질의 원자 모델을 한정하는 데이터 출력을 제공하기 위하여 (a)의 원자 좌표 데이터를 분석하는 단계; 및
    (c) GSK3 단백질의 3차원 구조를 한정하는 원자 모델 출력 데이터를 얻는 단계.
  2. 제 1 항에 따른 방법으로 제작된, 저장된 GSK3 단백질의 원자 모델 데이터를 가지는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독 매체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 분자 또는 분자 복합체의 3차원 표시를 생성하기 위한 컴퓨터로서, 상기 분자 또는 분자 복합체는 표 2에 제공된 GSK3의 원자 좌표를 포함하고, 상기 컴퓨터는 하기의 것들을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터:
    (a) 표 2에 제시된 원자 좌표를 포함하는 기계-판독 데이터로 암호화된 데이터 저장 요소를 포함하는 기계-판독 데이터 저장 매체;
    (b) 상기 기계-판독 데이터를 처리하는 명령어를 저장하기 위한 작동 기억장치;
    (c) 상기 작동 기억장치 및 상기 기계 판독 데이터를 상기 3차원 표시로 처리하기 위하여 상기 기계-판독 데이터 저장 매체에 결합된 중앙 처리 장치; 및
    (d) 이 3차원 표시를 디스플레이하기 위한 중앙-처리 장치에 결합된 디스플레이.
  13. 분자 또는 분자 복합체의 X-레이 회절 패턴에 해당하는 원자 좌표를 결정하기 위한 컴퓨터로서, 하기의 것들을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터:
    (a) 표 2에 제시된 원자 좌표를 포함하는 기계-판독 데이터로 암호화된 데이터 저장 요소를 포함하는 기계-판독 데이터 저장 매체;
    (b) 분자 또는 분자 복합체의 X-레이 회절 패턴을 포함하는 기계-판독 데이터로 암호화된 데이터 저장 요소를 포함하는 기계-판독 데이터 저장 매체;
    (c) (a) 및 (b) 의 기계 판독 데이터를 처리하는 명령어를 저장하기 위한 작동 기억장치;
    (d) 상기 작동 기억장치와 (a) 의 기계 판독 데이터의 푸리에 변환을 수행하고, (b) 의 기계 판독 데이터를 구조 좌표로 처리하기 위하여 상기 (a) 및 (b) 의 기계-판독 데이터 저장 매체에 결합된 중앙-처리 장치; 및
    (e) 상기 분자 또는 분자 복합체의 상기 구조 좌표를 디스플레이하기 위한 중앙-처리 장치에 결합된 디스플레이.
  14. 인간 글리코겐 신타아제 키나제3(GSK3β) 단백질을 결정화하는 방법으로서, 하기의 단계들로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법:
    (a) 정제된 인간 GSK3β 단백질을 제공하는 단계; 및
    (b) 생물학적 활성을 가지는 결정화된 인간 GSK3β 단백질을 제공하기 위하여 정제된 인간 GSK3β 단백질을 결정화하는 단계에서, 이 단백질은 10 내지 14중량%의 폴리에틸렌 글리콜, 9 내지 13중량%의 2-메틸-2,4-펜탄디올, 및 18 내지 22중량%의 글리세롤로 구성되는 용액으로부터 결정화되고, 이 결정화된 인간 GSK3β 단백질은 인간 GSK3β 단백질의 3차원 구조 결정에 적합한 X-레이 패턴을 얻기 위하여 X-레이 결정학을 사용하여 분석되는 단계.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 인간 GSK3β 단백질을 결정화하는 단계는 현적 증기 확산 방법에 의한 결정화를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 정제된 인간 GSK3β 단백질은 표 2에 제시된 원자 좌표에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 단백질은 SEQ ID NO:1의 아미노산 서열을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 14 항의 방법에 의해서 제공된 것을 특징으로 하는 인간 GSK3β 단백질 결정.
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