나노파티클 기반 암호화 펩타이드 유사체 라이브러리 기술 개발

Abstract

Abnormal protein-protein interactions (PPIs) induce many complex diseases including cancers. Molecules that can modulate aberrant PPIs, thus, are promising drug candidates. However, it is one of the most difficult challenging tasks in drug discovery field. Due to relatively large and flat surface of PPIs and shortage of high-throughput screening (HTS) methods, PPIs are even considered as “undruggable” targets. This thesis describes the approaches to overcome such issue. First of all, the development of medium-sized scaffolds to target large surface of PPIs is described (chapter II-IV). Secondly, the development of an ultra-large combinatorial library technology to rapidly and efficiently discover potent protein modulators is described (chapter V). In chapter I, general introduction and overview of the thesis are described. The significance and difficulties in targeting PPIs are explained, and conventional methods to overcome such issues are discussed. In addition, an overview of the approaches developed in this thesis study is summarized. In chapter II, the development of cyclic peptides/peptoids scaffold is described. The linear oligomers were cyclized on resin forming thioether bridge with high quality. In addition, the cyclic molecules can be sequenced through an one-pot cleavage/ring-opening reaction. The scaffold was applied for the construction of one-bead one-compound (OBOC) libraries to demonstrate its utility in combinatorial libraries In chapter III, a new class of peptoid-based foldamer, α-ABpeptoids, is introduced. Inspired by peptoids with α-chiral side chains, β-peptoids with backbone chirality were designed, synthesized and investigated by circular dichroism (CD) spectroscopy. The distinctive spectral shapes support that the oligomers form unique folding structures. In addition, the synthetic accessibility of the oligomers with diverse side chains provides great potential as a rich source of protein binding molecules. In chapter IV, oligomers of α-ABpeptoid/β3-Peptide hybrid are described. As a novel derivative of α-ABpeptoids, β3-Peptide moiety was alternatively added to construct a hybrid structure. The hybrid backbone contains hydrogen-bonding sources to make additional interactions in either intra- or intermolecularly between foldamers and target biopolymers. CD spectral and NMR studies strongly suggest that unique folding structures of the hybrid oligomers. In chapter V, design, construction and screening of a DNA-encoded nanoparticle library (DENL) are described. DNA-encoded libraries (DELs) have been emerged as an innovative tool for discovering protein binding molecules, but a lot of inherent limitations impedes the advance of the technology in terms of synthesis, purification and sequencing-analysis steps. Nanoparticles are an attractive material as a solid-support for DEL construction, since they own solid-phase properties as well as tiny enough size. As a proof-of-concept model, stapled peptide DENL was constructed and screened against the target protein. The hit stapled peptides with antibody-like binding affinities were discovered as a consequence, which demonstrate feasibility and potential of the technology as a powerful tool to discover PPI modulators.

암을 포함한 다양한 난치성 질병들은 비정상적인 단백질간 상호작용에 의해 일어난다고 알려져 있다. 따라서 단백질간 상호작용을 조절할 수 있는 물질은 신약후보물질로써 큰 가치를 지니지만, 이러한 물질을 찾아내는 것은 매우 어려운 일로 알려져 있다. 단백질 간 상호작용의 결합 부위는 효소와 같은 전통적인 약물 표적들이 가지고 있는 특징적인 기질 결합 부위와는 다르게 상대적으로 크고 편평하다. 분자량 500 이하의 전통적인 약물들은 따라서 단백질간 상호작용을 저해하기에 충분한 크기를 가지고 있지 않다. 전통적인 약물 표적 단백질을 대상으로 한 스크리닝 방법들은 다양하게 연구 된 것에 반해, 단백질간 상호작용 조절제를 찾기 위한 고효율 스크리닝 방법은 거의 없는 실정이다. 본 박사 학위 논문은, 이러한 문제점을 개선한 새로운 고효율 스크리닝 방법 개발에 대해 다루고 있다. 제 1-4 장에서는 상대적으로 넓은 단백질간 상호작용 표면에 효과적으로 결합할 수 있는 새로운 분자 구조 개발에 대해 다루고 있다. 제 5 장에서는 초거대 라이브러리를 활용하여 단백질간 상호작용 조절제를 효과적으로 찾을 수 있는 새로운 스크리닝 기술에 대해 다루고 있다. 제 1 장에서는 단백질간 상호작용이 약물 표적으로써 가지는 중요성과 어려움에 대해 서술하였고, 본 박사 학위 논문에서 어떠한 방법으로 종래 기술의 문제점을 극복하고 새로운 기술을 개발하였는지 요약하였다. 제 2 장에서는 고리형 펩타이드/펩토이드 구조의 개발에 관해 서술하였다. 선형 펩타이드/펩토이드를 thioether 결합을 통해 비드상에서 높은 순도로 쉽게 고리를 형성할 수 있는 방법을 개발하였다. 또한 결합된 고리를 비드상에서 떼어냄과 동시에 다시 선형으로 풀리는 반응을 개발함으로써 기존에 사용이 어려웠던 비드상 라이브러리에 손쉽게 적용될 수 있도록 하였다. 제 3 장에서는 새로운 구조의 펩토이드 폴다머 (α-ABpeptoids)의 개발에 관해 소개하였다. 기존의 펩토이드 폴다머는 잔기의 카이랄성을 이용해 접힘 구조를 형성한데 반해, 본 논문에서 개발한 새로운 구조는 뼈대 구조에 카이랄성을 도입해서 고유한 접힘 구조를 형성할 수 있도록 하였다. 합성한 폴다머의 접힘 구조는 원형 이색성 편광 분석법을 통해 분석하였고, 고유한 접힘 구조를 가짐을 증명하였다. 제 4 장에서는 제 3 장에서 새롭게 개발한 폴다머의 뼈대 구조에 베타 펩타이드 (β3-peptide)를 교차로 도입함으로써 새로운 구조의 폴다머를 개발하였다. 베타 펩타이드를 도입하여 수소 결합을 형성 할 수 있도록 하였고, 이는 분자 내 혹은 폴다머-표적 생체 고분자 사이의 상호작용시 중요한 역할을 할 것이라 기대한다. 새롭게 개발한 폴다머는 원형 이색성 편광 분석법과 핵자기공명 분석법을 통해 고유한 이차 구조를 형성함을 확인하였다. 제 5 장에서는 나노파티클상 DNA-암호화 라이브러리의 합성 및 스크리닝 과정에 대해 서술하였다. DNA-암호화 라이브러리는 단백질에 결합하는 물질을 효율적이고 빠르게 찾아낼 수 있는 기술로써 최근 각광 받고 있는 기술이나, DNA 자체가 가지는 구조로 인해 한계점이 명확한 실정이다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 나노파티클상에 DNA-암호화 라이브러리를 구축하는 기술을 개발하였다. 나노파티클은 고체상이면서 적은 부피에 매우 많은 양을 담을 수 있기 때문에 기존의 DNA-암호화 라이브러리가 가지는 다양성을 충족시키면서 합성 및 정제의 측면에서 뛰어난 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 나노파티클상에 DNA-암호화된 스테이플 펩타이드 라이브러리를 합성하였고 LRH-1 표적 단백질에 대해 스크리닝을 진행하였다. DNA가 없는 형태로 재합성한 hit 화합물들은 표적 단백질에 항체 수준의 결합력을 가짐을 확인하였다. 본 논문의 결과를 통해 나노파티클상 DNA-암호화 라이브러리는 단백질간 상호작용 조절제를 찾기 위한 강력한 스크리닝 도구로써 사용될 수 있음을 입증하였다.