Design and Synthesis of FK506 binding protein inhibitors acting as anti-infectives and as molecular glues

FK506 binding proteins (FKBPs) play an important role as presenter proteins for the clinically used molecular glues rapamycin and FK506. Moreover, they are considered a target for therapeutics in several diseases like chronic pain, metabolic disorder, stress-related diseases, and bacterial infections. One of the most sophisticated scaffolds to address FKBPs is the bicyclic [4.3.1] sulfonamide scaffold (Figure 1A). The aim of this thesis was to develop inhibitors for the microbial FKBP LpMip as anti-virulence agents against Legionella pneumophila and molecular glues for the complex of FKBP12 and the FRB domain of mTOR based on this scaffold. Furthermore, an additional aim was to increase the affinity and to better understand the structure-activity relationship of this scaffold. In the first part of this thesis a series of compounds with a substituted acetamide located in the R1 position were synthesized and selected compounds were investigated for their inhibition of LpMip and their anti-virulence effect against L. pneumophila (Figure 1B). Most of the tested compounds had some anti-virulence effect on L. pneumophila, but one compound had a remarkably strong effect. Surprisingly, the affinity of the compound for LpMip was not a relevant factor to its anti-virulence effect as other compounds had a higher affinity. This clear disconnect ruled out LpMip as the only target responsible for the observed anti-virulence effect. Among other plausible targets were the second FKBP of L. pneumophila, the trigger factor, as well as the human FKBPs.   The compounds synthesized for LpMip also displayed superior binding affinities towards human FKBPs. To identify the underlying structural reason for this effect, mono- and disubstituted acetamides were synthesized and their structure-activity relationship was investigated. Good binding affinities were present, when an ethyl-group or a longer chain was one of the substituents. Bulkier groups directly adjacent to the amide were not well tolerated. Interestingly, monosubstituted amides were comparatively preferred by FKBP51 and FKBP52, while disubstituted amides were preferred by FKBP12. The second part of this thesis describes the synthesis of a series of compounds based on a screening hit for molecular glues for the interaction between FKBP12 and the FRB domain of mTOR (Figure 2A). The cocrystal structure of the ternary complex guided the synthesis, where mainly modifications of the meta position of the R2 substituent benzenesulfonamide with alkynes increased the complex formation affinity. The affinity of the initial hit to initiate the ternary complex was increased by a factor of 500.

The third part of the thesis was dedicated to the synthesis of different bicyclic [4.3.1] sulfonamides to achieve higher affinity for the FKBPs. Here, heterocycles in the R1 position were able to replace the standard pyridinylmethyl substituent with higher affinity (Figure 2B).

FK506 Bindeproteine (FKBPs) spielen eine wichtige Rolle als präsentierende Proteine für die als Arzneimittel verwendeten molekularen Kleber Rapamycin und FK506. Zudem werden mehrere andere Erkrankungen wie chronische Schmerzen, Stoffwechselerkrankungen, Stress-verursachte Erkrankungen und bakterielle Infektionen mit FKBPs in Verbindung gebracht. Eine hochentwickelte Substanzklasse, um FKBPs zu inhibieren, sind die bizyklischen [4.3.1] Sulfonamide (Abbildung 1A). Das Ziel dieser Thesis war es, Inhibitoren, basierend auf diesem Gerüst zu entwickeln, mit dem Ziel, das mikrobielle FKBP LpMip zu inhibieren, um die Virulenz von Legionella pneumophila zu verringern. Zudem sollten molekulare Kleber für den Komplex von FKBP12 und der FRB-Domäne von mTOR entwickelt werden und die Struktur-Wirkungsbeziehung des Gerüsts durch die Synthese neuer Verbindungen einhergehender auf weitere Möglichkeiten der Affinitätssteigerung für humane FKBPs untersucht werden. Im ersten Teil dieser Thesis wurden Verbindungen mit substituierten Acetamiden in der R1 Position synthetisiert und ausgewählte Verbindungen auf ihre Inhibition von LpMip, sowie ihren Effekt auf die Virulenz von L. pneumophila untersucht (Abbildung 1B). Die meisten untersuchten Verbindungen zeigten eine Minderung der Virulenz bei hohen Konzentrationen, wobei eine Verbindung mit einer Minderung der Virulenz bei niedrigeren Konzentrationen herausragte. Überraschenderweise korrelierte die Minderung des Effekts nicht mit der Affinität für LpMip, da andere Verbindungen LpMip stärker inhibierten. Die Inhibition von LpMip kann deswegen nicht mehr als alleinige Ursache des beobachteten Anti-Virulenz Effekt gesehen werden. Zu anderen Proteinen, die als Ziel des Compounds inhibiert werden könnten, zählen sowohl das andere FKBP von L. pneumophila, der trigger factor, als auch humane FKBPs.

Die Verbindungen, die mit dem Ziel der LpMip Inhibition hergestellt wurden, zeigten ebenfalls gute Affinität für humane FKBPs. Um die zugrundeliegende strukturelle Ursache der guten Inhibition zu ergründen, wurden einfach und zweifach substituierte Acetamide hergestellt und deren Struktur-Aktivitäts-Beziehung untersucht. Die guten Affinitäten zeigten sich, wenn einer der Substituenten größer als Methyl war, sofern dieser nicht zu sperrig war. Interessanterweise wurden FKBP51 und FKBP52 relativ gesehen besser von einfach substituierten Amiden inhibiert, während FKBP12 zweifach substituierte Amide bevorzugte. Der zweite Teil der Arbeit dreht sich um die Synthese von Verbindungen, die basierend auf einem Treffer aus einem Screening vieler Verbindungen auf deren Eigenschaften als molekulare Kleber für FKBP12 und die FRB-Domäne von mTOR erfolgte (Abbildung 2A). Durch die Cokristallstruktur des ternären Komplexes geleitet, wurden hauptsächlich Modifikationen der meta-Position des Phenylsulfonamids der R2 Position in der Form von Alkinen vorgenommen. Die besten Modifikationen steigerten die Potenz der Substanz zur Initiierung des Komplexes 500-fach.

Der dritte Teil der Thesis handelt von der Synthese von Heterozyklen in der R1 Position des bizyklischen [4.3.1] Sulfonamid Gerüsts, um den bisherigen Standardsubstituenten Methylpyridin mit einem besser bindenden Methyl-Heterozyklus zu ersetzen (Abbildung 2B). Hierbei wurden mehrere Heterozyklen gefunden, die dies mit gleicher oder höherer Affinität ermöglichten.