초록 ▼

본 뇌질환치료제 연구는 GSK3를 표적으로 하는 치매 치료제 발굴을 목표로 한 다. GSK3는 α와 β의 두 가지로 존재하며 둘 다 치매와 관련되어 있다. GSK3β는 tau 단백질 인산화를 시켜서 tangle 형성을 증가시키고, GSK3α는 Aβ42 펩티드의 생
성에 관여되어 있다. 따라서 GSK3억제제는 amyloidosis와 neurofibrillary pathology를 둘 다 막을 수 있는 유망한 치매치료제라고 볼 수 있다. GSK3억제제 발굴을 위해서 본 연구진은 질환 단백질의 3차 구조를 바탕으로 둔 의약 디자인

본 뇌질환치료제 연구는 GSK3를 표적으로 하는 치매 치료제 발굴을 목표로 한 다. GSK3는 α와 β의 두 가지로 존재하며 둘 다 치매와 관련되어 있다. GSK3β는 tau 단백질 인산화를 시켜서 tangle 형성을 증가시키고, GSK3α는 Aβ42 펩티드의 생
성에 관여되어 있다. 따라서 GSK3억제제는 amyloidosis와 neurofibrillary pathology를 둘 다 막을 수 있는 유망한 치매치료제라고 볼 수 있다. GSK3억제제 발굴을 위해서 본 연구진은 질환 단백질의 3차 구조를 바탕으로 둔 의약 디자인 기술을 활용하였다. 우선 구조용으로 GSK3β를 정제하여 X-ray crystallography 로 3차 구조를 푼 뒤, GSK3의 활성부위(active site)를 분석하여 ATP 결합부위에 binding하는 물질의 결합모드를 fragmentation하여 유사한 물질을 선별하였다. 그리고 가상 스크리닝을 통해 GSK3의 활성부위에 결합하는 key binding moiety 를 내부적으로 갖춘 분석프로그램으로 분석하여 확보한 2000여종의 화합물의 활성평가를 실시하였다. 그 결과 5종의 scaffold를 지닌 초기물질을 확보하였고, 이어서 다양
한 화합물을 합성하여 최적화작업을 하는데 구조와 활성간의 관계를 제공하였다. 합성화합물을 효소와 세포에서 평가한 뒤, GSK3와의 결합체 3차 구조를 규명하였고, 이어서 다시 설계, 합성 및 평가하는 방식을 지속적으로 수행하여 효능과 물성이 우수한 후보물질을 발굴하였다. 또 다른 표적단백질인 mGluR의 조절물질을 활용한 항불 안증 치료제 개발을 위해 구조기반 신약발굴 기술을 활용하였는데, GSK3과제에 집중하고자 2차년도 까지만 수행하였다.

Abstract ▼

GSK3α is involved in the production of Aβ42 peptide from APP (amyloid precursor protein), and lithium, a GSK3 inhibitor, block the production by interfering with APP cleavage. Since GSK3β phosphorylates tau protein, the principal component of neurofibrillary tangles, inhibition of GSK3 offers a new

GSK3α is involved in the production of Aβ42 peptide from APP (amyloid precursor protein), and lithium, a GSK3 inhibitor, block the production by interfering with APP cleavage. Since GSK3β phosphorylates tau protein, the principal component of neurofibrillary tangles, inhibition of GSK3 offers a new approach to reduce the formation of both amyloid plaques and neurofibrillary tangles, two pathological hallmarks of Alzheimer's disease (AD). Our aim is to generate highly patent, selective, and reversible inhibitors by targeting the ATP-binding site of the GSK3α. In order to discover the promising GSK3α inhibitors, we exploited the parallel optimization approach guided by structure-based design. We determined the crystal structure of GSK3β and homology model of GSK3α was built. First, the active site of GSK3 was analyzed to map the binding mode of the compound, followed by fragmentation to search for homologous chemical moieties. After performing the in silico screening with the kinase-targeted library, we obtained 2000 compounds and did the enzyme assay. The scaffolds were further refined by the use of several filtering such as novelty, synthetic feasibility and among others, leading to four chemical scaffolds for chemical synthesis and optimization.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 초록 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 6
• CONTENTS ... 7
• 목차 ... 8
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 10
• 제1절 연구개발의 과학기술, 사회경제적 중요성 ... 10
• 1. 기술적 측면 ... 10
• 가. 뇌질환의 중요성 ... 10
• 나. 뇌질환의 원인 (발병 메카니즘) ... 12
• 다. 뇌질환 치료제 현황 ... 14
• 라. 뇌질환 치료제 연구 전략 ... 15
• 마. 뇌질환 치료제 target으로서 GSK3α＝의 역할 ... 16
• 바. 뇌질환 치료제 target으로서 Glutamate Receptor의 역할 ... 18
• 2. 경제?＝산업적 측면 ... 20
• 가. 뇌질환 치료제 시장동향 ... 20
• 3. 사회?＝문화적 측면 ... 22
• 가. 뇌 질환의 심각성 ... 22
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 23
• 제1절 GSK3α억제제를 이용한 뇌질환 치료제 연구 현황 ... 23
• 제2절 Glutamate Receptor 조절물질을 이용한 뇌질환 치료제 연구 현황 ... 24
• 제3절 본 연구진이 수행한 선행연구 결과 ... 25
• 제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 33
• 제1절 GSK3α구조 연구 및 의약 디자인 ... 33
• 1. GSK3α대량 발현 연구 ... 33
• 가. E. coli에서의 GSK3α대량 발현 ... 33
• 나. 곤충세포 배양에서의 GSK3α대량 발현 ... 33
• 2. 곤충 세포 및 E. coli에서 발현된 GSK3α단백질 분리 정제 ... 33
• 가. Small scale 정제 분리 연구 ... 33
• 나. insect cell을 이용한 GSK3α?의 발현 및 대량 정제 (I) ... 34
• 다. insect cell을 이용한 GSK3β의 발현 및 정제 (II) ... 35
• 라. E. coli를 이용한 GSK3α?의 발현 및 정제 ... 36
• 3. 정제된 GSK3α?단백질의 활성 평가 ... 38
• 4. GSK3 - 선도물질 복합체 구조 연구 ... 38
• 가. 복합체 결정화 연구 ... 38
• 나. GSK3-선도물질 복합체의 3차원 구조 규명 ... 39
• 5. 계산 연구를 통한 GSK3α단백질 3차원 구조 확보 ... 40
• 가. Homology building을 이용한 GSK3α구조 확보 ... 40
• 나. Docking 연구를 통한 GSK3α3단백질 - 리간드 복합체의 구조 확보 ... 41
• 다. GSK3 단백질의 활성부위 분석 ... 42
• 라. GSK3α단백질의 활성부위 구조분석 - 활성부위의 표면 구조 및 소수성 분석 ... 43
• 마. Reference 화합물의 결합구조를 바탕으로 결합 모드 분석 ... 43
• 바. Virtual screening (가상공간에서의 초고속 약효 검색) ... 44
• 사. GSK3 억제제의 생리활성 향상을 위한 의약 디자인 ... 45
• 아. 컴퓨터를 이용한 구조기반 의약 디자인 ... 47
• 자. ADME/Tox system을 이용한 최적화 설계 ... 48
• 제2절 mGluR 구조 연구 및 의약 디자인 ... 49
• 1. mGluR 발현 및 정제 연구 ... 49
• 가. mGluR의 발현 시험 ... 49
• 나. mGluR 분리 정제 ... 50
• 2. 가상공간에서의 초고속 약효검색 ... 50
• 3. 가상약효검색 결과를 활용한 의약 디자인 ... 51
• 4. mGluR 조절물질 발굴을 위한 선도물질 설계 연구 ... 51
• 5. mGluR 조절물질 발굴을 위한 구조 화학유전체학 library design (1) ... 52
• 6. mGluR 조절물질 발굴을 위한 구조화학 유전체학 library design (2) ... 53
• 7. Glutamate receptor의 결합 시험 결과를 이용한 조절물질 디자인 ... 53
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 55
• 제1절 : 목표 달성도 ... 55
• 제2절 연구 성과의 파급효과 ... 56
• 1. 기술적 측면 ... 56
• 2. 경제?산업적 측면 ... 57
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 59
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 62
• 제1절 GSK3α억제제에 관한 연구 ... 62
• 제2절 mGluR modulator에 관한 연구 ... 63
• 제7장 참고문헌 ... 65