물과의 상호작용을 이해함으로써 종양 성장을 억제하는 새로운 종류의 가역적 USP7 억제제가 발견되었다

요약

『Journal of Medicinal Chemistry』에 최근 게재된 논문 ‘생체 내 항종양 활성을 지닌 강력하고 선택적이며 경구 생체이용률이 높은 USP7 억제제 발견’라는 논문을 게재했다. 이 논문은RAPTTherapeutics의 연구진이 집필했으며, Schrödinger의 애플리케이션 사이언스 그룹 수석 이사인 크리스토퍼 히그스(Christopher Higgs)가 RAPT의 화학 연구 방향을 제시하는 데 도움을 주기 위해 ‘ FEP+ ’를 적용하여 기여했다.

USP7은 이를 억제함으로써 발암유전자의 기능을 감소시키고, 종양억제유전자의 기능을 증진시키며, 면역 기능을 강화할 것으로 기대되므로 암 치료의 유망한 표적입니다. 본 논문에서는 구조 기반 약물 설계 전략을 활용하여, 생화학적 및 세포학적 분석에서 높은 효능을 보이며 다른 디유비퀴티네이스(DUBs)에 비해 USP7에 대해 극히 선택적인 새로운 종류의 가역적 USP7 억제제를 발굴했습니다. 이 연구를 통해 화합물 41(표 1)이 발견되었는데, 이는 효능이 뛰어나고 선택성이 높으며 경구 생체이용률이 우수한 USP7 억제제로, p53 야생형 및 p53 돌연변이 암 세포주 모두에서 종양 성장 억제 효과를 나타내어, USP7 억제제가 다양한 경로를 통해 종양 성장을 억제할 수 있음을 보여주었다.

화합물 41의 종양 성장 억제 능력은 마우스를 이용한 이종 이식 모델에서 평가되었다. 화합물 41을 50 mg/kg 용량으로 하루 두 번 경구 투여했을 때, 종양 성장이 거의 완전히 억제되는 것이 관찰되었다(그림 2).

**그림 2.** MM.1S 종양이 이식된 NOD-SCID 마우스를 이용한 이종 이식 연구

힉스 박사는 이 논문의 주요 연구 결과를 다음과 같이 설명합니다:

이 논문의 의미를 설명해 주세요. 왜 이 논문이 그렇게 주목받는 건가요?

다양한 유형의 암에 관여하는 단백질 중 USP7의 결합 파트너나 기질로 여겨지는 것들이 점점 더 많아지고 있다. 이로 인해 USP7은 난소암, 대장암, 신경모세포종 등 여러 암에 대한 새로운 치료법의 유망한 표적이 되고 있다. 고처리량 스크리닝을 통해 확인되거나 문헌에 보고된 출발 화합물에서 파생된 히트 화합물들을 USP7과 함께 공동 결정화한 결과, 이들 화합물이 “팜(palm)” 도메인의 알로스테릭 포켓에 결합하는 것으로 밝혀졌다. 이 포켓에 결합하면 USP7의 비활성 구조가 안정화되어 USP7의 촉매 활성이 억제되는 것으로 여겨집니다. 이러한 데이터를 바탕으로, WaterMap 및 FEP+ 을 포함한 당사의 구조 기반 방법을 활용하여 화합물을 선별하고 우선순위를 정함으로써 해당 화합물 계열을 더욱 최적화했습니다.

이 논문은 신약 개발을 지원하기 위해 ‘ Schrödinger ’ 플랫폼을 활용한 사례를 소개하고 있습니다. 이번 연구에서 ‘ Schrödinger ’ 소프트웨어가 어떻게 활용되었는지 설명해 주시겠습니까?

USP7과 복합체를 형성한 화합물 7의 공동 결정 구조(그림 3)는 모델링을 위해 다음 사이트의‘Protein Preparation Wizard’를사용하여 준비되었습니다. Maestro. Schrödinger의WaterMap은 결합 포켓 내 수화 부위를 3D로 시각화할 수 있게 해주며, 이를 통해 각 부위의 엔트로피, 엔탈피 및 자유 에너지를 파악할 수 있어, 다양한 화합물이 결합 포켓 의 물 분자와 어떻게 상호작용할 수 있는지 밝히고 상대적 결합력( 안정성)을 예측할 수 있게 해줍니다. 이 방법을 FEP+Schrödinger 의 과학자들은 이 방법을 활용하여 어떤 화합물이 강력한 결합체일 가능성이 높은지 판단하는 데 도움이 되는 중요한 정보를 제공할 수 있었습니다.

**그림 3.** 유비퀴틴(파란색)에 결합한 USP7의 촉매 도메인(주황색)의 개략도. 팜 영역(보라색 점선 아래), 터널 영역(빨간색 상자), 촉매 부위(녹색 원)가 강조 표시되어 있다. 노란색 화살표는 오른쪽 구조에서 강조 표시된 화합물 결합 부위를 가리킨다. (오른쪽) 4-하이드록시 피페리딘 억제제 1과 피리딜벤조푸란 화합물 7의 공동 결정 구조 비교. 두 억제제 모두 USP7의 동일한 알로스테릭 부위에 결합하며, USP7의 선택적 억제제이다. USP7에 결합한 1의 PDB 코드는 6VN4이다. USP7에 결합한 7의 PDB 코드는 6VN5이다.

이 과정이 분자 특성이 최적화된 화합물을 설계하는 데 어떻게 도움이 됩니까?

WaterMap을 활용한 초기 연구를 통해, 아미노피리딘에 인접한 불리한 수화 부위의 작은 클러스터가 확인되었으며, 적절한 작용기 을 통해 이 부위를 대체함으로써 효능을 더욱 높일 수 있는 것으로 나타났습니다(그림 4). RAPT의 유능한 의약화학자 팀은 이 포켓 영역을 활용하기 위해 화합물을 설계했으며, 합성 우선순위를 정하는 데는 ‘ FEP+ ’를 활용했습니다. 이러한 접근 방식을 통해 DMTA(설계-제조-시험-분석) 주기를 줄이면서도 더 넓은 화학적 공간을 탐색할 수 있게 되었습니다. 또한, 이 논문에서 다루지 않은 분자의 다른 부분을 탐색하기 위해 ‘ FEP+ ’를 활용했으며, 이를 통해 효능과 약동학(PK)을 개선할 수 있었습니다.

**그림 4.** USP7 결합 포켓 에 대한 WaterMap 분석. 수화 부위는 예측된 자유 에너지(G)에 따라 색이 지정된 구로 표시되어 있다. 녹색 구는 유리한 자유 에너지 G를, 빨간색 구는 불리한 G를 나타낸다. (A) 리간드(화합물 7)를 제거한 상태에서 계산된 수화 부위. 화합물 7을 중첩해 보면, 확대된 구체들은 화합물 7에 의해 밀려날 것으로 예측되는 반면, 다른 (더 작은) 구체들은 그렇지 않음을 알 수 있다. (B) 화합물 7이 존재하는 상태에서의 수화 부위. 화합물 7의 2-아미노피리딜 헤드그룹 근처에 위치한 세 개의 불리한 수소 결합 부위(빨간색/주황색)는 이 억제제의 효능을 더욱 향상시킬 수 있는 가능성을 시사한다. 화합물 7과 USP7의 공동 결정 구조(PDB 코드 6VN5)를 기반으로 한 WaterMap 분석 결과.

이 논문은 암 연구에 중요한 의미를 지니고 있죠, 그렇죠?

USP7는 매개하는 것으로 보이는 상호작용이 매우 많기 때문에, 새로운 암 치료법을 개발하는 데 있어 매우 유망한 표적입니다. 그러나 이러한 신호 전달 경로에서 USP7가 수행하는 역할을 완전히 규명하기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다. 본 논문의 목적은 이러한 연구 노력에 기여하는 데 있습니다.

**그림 5.** 에테르 23과 USP7의 X선 공동결정 구조로, 결합 포켓 와의 주요 상호작용이 강조되어 있다. USP7에 결합된 23의 PDB 코드는 6VN3이다.

RAPT 테라퓨틱스와 Schrödinger 간의 이번 협력은 어떻게 성사되었나요?

Schrödinger의 애플리케이션 과학 그룹은 전 세계 소프트웨어 사용자들과 긴밀히 협력하며, 모리슨 앤드 맥도널드( Schrödinger)의 계산 플랫폼에 대한 모범 사례에 대한 전문적인 지침과 새로운 기능에 대한 교육을 제공합니다. 이 그룹은 때때로 모델링 서비스 계약에 따라 연구 프로젝트에 적극적으로 참여하기도 하는데, 특히 새로운 응용 분야를 탐구하거나 실제 상황에서 당사 플랫폼이 제공할 수 있는 가치를 입증하기 위한 경우에 그러합니다.

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