Cyclic Peptide Inhibitors of HIV-1 Proliferation

HIV-1 增殖的环肽抑制剂

• 批准号: 9979753
• 负责人: Joseph E Wedekind
• 金额: $ 38.79万
• 依托单位: UNIVERSITY OF ROCHESTER
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2017-09-30 至 2022-07-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/9979753
• 关键词: AIDS/HIV problem; Address; Affinity; Amino Acids; Animals; Anti-HIV Agents; Antiviral Agents; Apoptosis; Base Pairing; Binding; Binding Proteins; Biological; Biological Assay; Calorimetry; Cations; Cells; Chemicals; Colorado; Complex; Complex Analysis; Coupled; Crystallization; Cyclic Peptides; Development; Dissociation; Drug Targeting; Drug resistance; Elements; Evolution; Exhibits; FDA approved; Genetic Transcription; Guanine; HIV; HIV-1; Hela Cells; Human; Hydrogen Bonding; Lead; Life Cycle Stages; Ligands; Longevity; Major Groove; Mammalian Cell; Measures; Molecular Conformation; Mus; Mutation; Nuclear Extract; Nucleotides; Outcome; Pathway interactions; Patients; Penetration; Peptides; Pharmaceutical Preparations; Pharmacologic Substance; Pharmacology; Play; Privatization; Property; Protein Analysis; Protein Engineering; Proteins; RNA; RNA Recognition Motif; RNA Splicing; RNA analysis; RNA-Protein Interaction; Reagent; Records; Refractory; Resistance; Resolution; Role; Scheme; Site-Directed Mutagenesis; Small Ubiquitin-Related Modifier Proteins; Sodium Chloride; Specificity; Structure; Surface Plasmon Resonance; Tars; Testing; Therapeutic; Therapeutic Index; Thick; Thinness; Titrations; Toxic effect; Transactivation; Universities; Vaccines; Validation; Variant; Vertebral column; Viral; Viral Proteins; Virus; Work; Yeasts; aging population; base; biophysical analysis; combat; design; drug development; drug discovery; improved; in vivo; inhibitor/antagonist; innovation; next generation; novel; peptide drug; peptidomimetics; protein complex; protein protein interaction; resistance mutation; small molecule; stem; structural biology; tat Protein; therapeutic development; therapeutic target; therapy outcome

Abstract. Innovative approaches are needed to create therapeutics that target HIV. Existing drugs can prolong  patient lifespan by targeting multiple facets of the viral life cycle, but next-­generation therapies are needed that  act on new targets — especially those that resist mutation — to improve long-­term therapeutic compliance and  outcome. HIV-­1 TAR RNA is a validated drug target that resists mutations to interact with the viral protein Tat,  thus  giving  rise  to  an  RNA-­protein  complex  essential  for  proviral  transcription  and  HIV-­1  propagation.  So  far,  TAR  has  evaded  discovery  of  compounds  with  sufficient  affinity  and  selectivity  to  warrant  pharmaceutical  development.  To  address  this  challenge,  we  undertook  a  ‘semi-­design  and  protein  evolution’  approach  that  yielded  many  novel,  high-­affinity  (KDs  ~  1.3  to  0.5  nM)  TAR  Binding  Proteins  (TBPs)  using  yeast  display  maturation. We then determined the 1.80 Å resolution co-­crystal structure of one variant, TBP6.7, in complex  with TAR, revealing that the major binding interface consists of evolved loop β2-­β3, which reads out the TAR  RNA major groove. We hypothesize that cyclic peptides comprising the TBP6.7 β2-­β3 loop, or other TBP loops  evolved  in  our  lab,  will  be  entry  points  to  create  a  novel  class  of  TAR  binders.  Indeed,  the  TBP6.7  β2-­β3  hairpin retains affinity and specificity for TAR when fused to the small protein SUMO, signifying that the β2-­β3  loop is necessary and sufficient for TAR recognition. Structural identification of the β-­hairpin motif, and our use  of semi-­design and evolution make our approach fundamentally different from prior efforts to block the Tat-­TAR  interaction,  while  providing  a  robust  experimental  premise  to  pursue  our  aims:  (Aim  1)  Validate  the  observed  TBP6.7-­TAR  interface  and  determine  additional  novel  co-­crystal  structures  of  other  TBPs  evolved  in  our  lab;;  (Aim 2) synthesize and optimize cyclic peptides derived from Aim 1 that bind TAR and inhibit its interaction with  Tat;; (Aim 3) Test cyclic peptides from Aim 2 using viral infectivity assays to investigate mechanisms of action,  therapeutic  indices,  and  pharmacological  properties  in  animals.  To  our  knowledge,  no  other  group  has  used  protein  evolution  and  structural  biology  to  develop  HIV-­1  TAR-­targeted  reagents.  We  are  a  team  of  experts,  comprising  two  P.I.s,  with  strong  records  in  protein  evolution,  peptide-­based  drug  discovery,  HIV  therapeutic  discovery,  measuring  cell  penetration  and  toxicity  of  biologics  (McNaughton),  and  structural  biology  of  therapeutically-­relevant  RNAs,  protein-­RNA  complexes,  and  biophysical  analysis  of  protein-­RNA  interactions  (Wedekind),  as  well  as  two  collaborators:  Harold  Smith  (University  of  Rochester),  a  leader  in  drug  discovery  and development, and CEO of OyaGen Inc., a private company developing anti-­HIV drugs, and Dan Gustafson  (Colorado  State  University),  a  clinician  and  pharmacologist  with  expertise  in  measuring  pharmacological  profiles of therapeutics. We are uniquely qualified and well suited to perform this work. High-­value outcomes  include:  (i)  identification  of  novel  lead  inhibitors  of  HIV,  and  (ii)  validation  of  our  ‘semi-­design’  and  structural  approach, which has the potential for sustained impact on the drug discovery and inhibitor design fields.

摘要：需要创新的方法来创造针对艾滋病毒的治疗方法。现有的药物可以延长 通过靶向病毒生命周期的多个方面来延长患者的寿命，但需要下一代疗法， 作用于新的靶点--特别是那些抗突变的靶点--以改善长期治疗依从性， HIV-1 TAR RNA是一种经验证的药物靶标，其抵抗突变以与病毒蛋白达特相互作用， 从而产生前病毒转录和HIV-HIV 1增殖所必需的RNA-β蛋白复合物。迄今为止， TAR避免了发现具有足够亲和力和选择性的化合物，以保证药物 为了应对这一挑战，我们采用了一种“半重复设计和蛋白质进化”的方法， 利用酵母展示技术获得了许多新的、高亲和力的TAR结合蛋白（TBP）（KD约为1.3 - 0.5 nM 然后，我们确定了1.80 nm分辨率的一个变体，TBP6.7，在复杂的共晶体结构， 与TAR，揭示了主要的结合界面由进化的环β2-β3组成，其读出TAR 我们假设包含TBP6.7 β2-β3环或其他TBP环的环肽 TBP6.7 β2-β3结合蛋白是一种新型的TAR结合蛋白。 当与小蛋白SUMO融合时，发夹保留了对TAR的亲和力和特异性，这意味着β2-β3 环是TAR识别的必要和充分条件。 半隐式设计和进化的方法使我们的方法与以前阻止达特-奇塔尔的努力有着根本的不同 相互作用，同时提供了一个强大的实验前提，以追求我们的目标：（目标1） TBP6.7-BITTAR接口，并确定我们实验室中开发的其他TBPs的其他新的共晶体结构; (Aim 2）合成并优化源自Aim 1的环肽，其结合TAR并抑制其与 达特;肽（目的3）使用病毒感染性测定来测试来自目的2的环肽以研究作用机制， 治疗指数和药理学特性。据我们所知，没有其他组使用 蛋白进化和结构生物学，开发HIV-11靶向试剂。我们是一个专家团队， 包括两个P.I.s，在蛋白质进化，基于肽的药物发现，HIV治疗 发现，测量生物制剂的细胞渗透和毒性（McNaughton），以及生物制剂的结构生物学 与治疗相关的RNA，蛋白质-RNA复合物，以及蛋白质-RNA相互作用的生物物理分析 （Wedekind），以及两位合作者：哈罗德史密斯（罗切斯特大学），药物发现的领导者 OyaGen Inc.的首席执行官， 一家开发抗HIV药物的私人公司， （科罗拉多州立大学），一位临床医生和药理学家，在测量药理学方面具有专业知识。 我们拥有独特的资质，非常适合开展这项工作。高价值的成果 包括：（i）鉴定新型HIV先导抑制剂，（ii）验证我们的“半重复设计”和结构 方法，这对药物发现和抑制剂设计领域的持续影响的潜力。