Atomistic simulations of the amine acetylation reaction and the covalent inhibition of the enzyme Phosphoinositide 3-kinase (PI3K)
Simulations atomistiques de la réaction d’acétylation d’amines et de l’inhibition covalente de l’enzyme Phosphoinositide 3-kinase (PI3K)
Abstract
Targeted Covalent Inhibitors (TCIs) hold great promise for search of new drugs. They offer a number of potential advantages over traditional reversible inhibitors, such as extended residence time, increased potency, and the ability to make modifications for effective design. Kinase inhibitors are the most common examples of TCIs. Phosphoinositide 3-kinase (PI3K) enzymes are important drug targets in oncology as they are involved in the signaling pathway for many cellular functions such as growth control, metabolism and translation initiation. Lysine (Lys) residues have gained increasing interest as an alternative for targeted covalent inhibition. Recently, the first selective and irreversible inhibitors with ester groups as electrophilic head targeting the Lys779 residue and covalently inactivating the PI3Kδ enzyme were reported. The main objective of this thesis is to elucidate the mechanism of the covalent inhibition of PI3Kδ by these ester inhibitors in order to assist future design of new inhibitors with superior activities. Prior to the mechanistic studies on the enzyme, initially, we performed ab initio and DFT calculations on the model reaction between methylamine and methyl, phenyl and p-NO2 phenyl acetates in aqueous solution. The same model systems were then studied by the "dual-level" QM/MM molecular dynamics approach. For the “low-level” option, PM3/TIP3P umbrella sampling QM/MM simulations were applied for the sampling. The obtained structures were then used to obtain perturbative corrections to the free energy with a “high-level” QM region at the M06-2X/6-311+G(d,p) level. The results show that thefirst step involves the formation of the zwitterionic tetrahedral intermediate. Then, for sufficiently electrophilic esters, such as the p-NO2 derivative, the reaction proceeds by dissociation of the zwitterion as an ion pair, followed by proton transfer leading to the formation of the expected products. We, then, employed similar computational tools to shed light on the mechanistic aspects of the enzyme. First, an active site model of the enzyme was built through classical molecular dynamics simulations. Then, ONIOM QM:QM approach at the M06-2X/6 -31+G(d,p):PM6 level was applied to get possible reaction mechanisms in this active site. These calculations guided us to refine the reaction mechanisms in enzyme environment which globally confirm the steps obtained from the small model system. We finally used this information to approach a dynamic QM/MM study on the enzyme using the same“dual-level” protocol established for the small model system, which allowed us to obtain the free energy profile of the inhibition mechanism of PI3Kδ for p-NO2 derivative of the ester inhibitor. The calculated barrier is in good agreement with the available experimental kinetic data, which validates the proposed theoretical approach and the obtained mechanisms. Through the elucidation of the inhibition mechanism of previously experimentally tested compounds, our study paves the way for the discovery of new inhibitors with improved activity with the help of theoretical chemistry tools.
Les inhibiteurs covalents ciblés (TCI) sont très prometteurs pour la recherche de nouveaux médicaments. Ils offrent un certain nombre d’avantages par rapport aux inhibiteurs réversibles traditionnels, comme un temps de séjour prolongé, une puissance accrue et la possibilité d’apporter des modifications pour une conception efficace. Les inhibiteurs de kinases sont les exemples les plus courants d’ITC. Les enzymes phosphoinositide 3-kinase (PI3K) sont des cibles médicamenteuses importantes en oncologie car elles sont impliquées dans la voie de signalisation de nombreuses fonctions cellulaires telles que le contrôle de la croissance, le métabolisme et l’initiation de la traduction. Les résidus lysine (Lys) ont suscité un intérêt croissant comme alternative pour l’inhibition covalente ciblée. Récemment, les premiers inhibiteurs sélectifs et irréversibles avec des groupes esters comme tête électrophile ciblant le résidu Lys779 et inactivant de manière covalente l’enzyme PI3Kδ ont été rapportés. L’objectif principal de cette thèse est d’élucider le mécanisme de l’inhibition covalente de PI3Kδ par ces inhibiteurs ester afin d’aider à la conception future de nouveaux inhibiteurs avec des activités supérieures. Avant les études mécanistiques sur l’enzyme, nous avons d’abord effectué des calculs ab initio et DFT sur la réaction modèle entre la méthylamine et les acétates de méthyle, phényle et p-NO2 phényle en solution aqueuse. Les mêmes systèmes modèles ont ensuite été étudiés par l’approche de dynamique moléculaire QM/MM "à double niveau". Pour l’option "bas niveau", les simulations QM/MM ont été conduites au niveau PM3/TIP3P, et elles ont permis d’obtenir l’échantillonnage du système dans le cadre de la technique « umbrella sampling ». Les structures obtenues ont ensuite été utilisées pour obtenir des corrections perturbatives à l’énergie libre avec une région QM de "haut niveau" décrite par la méthode M06-2X/6-311+G(d,p). Les résultats montrent que la première étape implique la formation d’un intermédiaire tétraédrique zwittérionique. Ensuite, pour des esters suffisamment électrophiles, tels que le dérivé p-NO2, la réaction se déroule par dissociation du zwittérion sous forme de paire d’ions, suivie d’un transfert de protons conduisant à la formation des produits attendus. Nous avons utilisé des outils théoriques similaires pour étudier les mécanismes d’inhibition dans le cas de l’enzyme. Tout d’abord, un modèle de site actif de l’enzyme a été construit par des simulations classiques de dynamique moléculaire. Ensuite, l’approche ONIOM QM:QM au niveau M06-2X/6-31+G(d,p):PM6 a été appliquée pour obtenir les mécanismes de réaction envisageables dans ce site actif. Ces calculs nous ont permis d’affiner les mécanismes de réaction dans l’environnement enzymatique qui confirment globalement les étapes obtenues à partir du petit système modèle. Nous avons finalement utilisé ces informations pour aborder une étude QM/MM dynamique sur l’enzyme en utilisant le même protocole "double niveau" établi pour le petit système modèle, ce qui nous a permis d’obtenir le profil d’énergie libre du mécanisme d’inhibition de PI3Kδ pour le dérivé p-NO2 de l’inhibiteur ester. La barrière calculée est en bon accord avec les données cinétiques expérimentales disponibles, ce qui valide l’approche théorique proposée et les mécanismes obtenus. Grâce à l’élucidation du mécanisme d’inhibition de composés précédemment testés expérimentalement, notre étude ouvre la voie à la découverte de nouveaux inhibiteurs à activité améliorée à l’aide des outils de la chimie théorique.
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