Identificazione di nuovi potenziali inibitori non steroidei del CYP17A1 attraverso metodi di chimica computazionale.

Cytochrome P450 17A1 is a monooxygenase containing a heme prosthetic group in the active site. The enzyme possesses both 17α-hydroxylase activity and C17,20-lyase activity, two key steps in the androgen biosynthesis. Thus, it represents a relevant target for cancer diseases whose growth is significantly stimulated by androgen hormones, such as prostate cancer (PC). Currently, abiraterone is the approved CYP17A1 inhibitor for the treatment of PC from US FDA; it has a steroidal scaffold and blocks irreversibly the enzyme by coordinating the nitrogen of its pyridine moiety to the heme iron. However, resistance to treatment with abiraterone arises easily, and this drug is also associated with several side effects due mainly to its steroidal scaffold.1 The aim of this study is to identify new potential non-steroidal inhibitors of CYP17A1 by using computational techniques. In order to reach this goal, a virtual screening of the ZINC database has been performed and returned some promising compounds. Previously performed DFT calculations showed that some heterocycles coordinate better to the heme iron than others. According to these results, a search for fragments was performed in the ZINC database, and several compounds libraries focused on those heterocycles were downloaded and prepared for the docking analyses, which were performed with the GOLD program. The poses associated with the best score were further analyzed in Maestro. The number of bad contacts due to unfavorable steric interactions in the binding pocket was computed for each pose, and only those with the lowest number of bad contacts were retained. A conformational energy penalty analysis has then being carried out. The conformational energy penalty is defined as the cost in terms of energy that molecules have to afford during the change from the minimum energy conformation in water to the one adopted in the binding pocket. This analysis allowed the selection of five compounds with a conformational energy penalty lower than 1 kcal/mol. Molecular dynamics simulations have been carried out in order to assess the stability of the binding poses in the CYP17A1 binding pocket. The good results suggested to extend the dynamic simulations to other molecules, with a conformational energy penalty lower than 3 kcal/mol. With the use of advanced molecular modeling techniques such as DFT calculations, docking analyses and molecular dynamic simulations, an ample collection of more than 2300 compounds downloaded from the ZINC database has been reduced to a small number of compounds. According to the results obtained, the selected molecules are considered promising potential inhibitors of CYP17A1, thus they will be purchased from the ZINC database, tested in vitro against the enzyme, and eventually they could be modified through organic synthesis in a subsequent cycle of structure optimization.

Il citocromo P450 17A1 è una monoossigenasi contenente il gruppo prostetico eme nel sito attivo. L'enzima possiede sia attività 17α-idrossilasica che 17,20-liasica, due passaggi chiave per la biosintesi degli androgeni. Rappresenta quindi un bersaglio rilevante per malattie tumorali la cui crescita è promossa dagli ormoni androgeni, come il cancro alla prostata (CP). Al momento, abiraterone è l'inibitore del CYP17A1 approvato dalla FDA statunitense per il trattamento del CP; possiede una struttura steroidea, e blocca irreversibilmente l'enzima coordinando l'atomo di azoto della sua porzione piridinica al ferro emico. Tuttavia si sviluppa facilmente resistenza al trattamento con abiraterone, e questo farmaco è anche associato a molti effetti collaterali dovuti principalmente alla struttura steroidea.1 Lo scopo di questo studio è l'identificazione di nuovi potenziali inibitori del CYP17A1 a struttura non steroidea attraverso l'utilizzo di tecniche computazionali. Per raggiungere questo scopo, è stato eseguito uno screening virtuale del database ZINC che ha identificato alcuni composti promettenti. Calcoli in DFT precedentemente eseguiti hanno mostrato che alcuni eterocicli coordinano meglio il ferro emico rispetto ad altri. In accordo con questi risultati, una ricerca per frammenti è stata eseguita all'interno del database ZINC, e diverse librerie di composti focalizzate su questi eterocicli sono state scaricate e preparate per le analisi di docking, eseguite con il programma GOLD. Le pose con il punteggio migliore sono state in seguito analizzate con Maestro. Il numero di contatti negativi, dovuti a interazioni steriche non favorevoli all'interno della tasca di binding, è stato calcolato per ciascuna posa, e solo quelle che presentavano il più basso numero di tali interazioni negative sono state conservate. Un'analisi della penalità energetica conformazionale è stata allora eseguita. La penalità energetica conformazionale è definita come il costo in termini di energia che le molecole devono sostenere durante il passaggio dalla loro conformazione di minimo in acqua alla conformazione adottata nella tasca di binding. Tale analisi ha permesso di selezionare cinque composti per cui la penalità è risultata più bassa di 1 kcal/mol. Simulazioni di dinamica molecolare sono state eseguite per verificare la stabilità delle pose nella tasca di binding del CYP17A1. I buoni risultati ottenuti hanno suggerito di estendere le simulazioni ad altre molecole per cui la penalità energetica conformazionale è risultata essere più bassa di 3 kcal/mol.Con l'utilizzo di tecniche di modellistica molecolare avanzata come i calcoli DFT, l'analisi di docking e le simulazioni di dinamica molecolare, una ampia raccolta contente più di 2300 composti scaricati dal database ZINC è stata ridotta ad un piccolo numero di composti. In accordo con i risultati ottenuti, le molecole selezionate sono considerate potenziali inibitori del CYP17A1, quindi saranno comprate dal database ZINC, testate in vitro sull'enzima, ed eventualmente potranno essere modificate attraverso la sintesi organica in un successivo ciclo di ottimizzazione della struttura.