Design and Synthesis of macrocyclic FKBP51 ligands

The FK506-binding protein 51 (FKBP51) emerged as a key player in several diseases like stress-related disorders, chronic pain, and obesity. Linear analogs of FK506 called SAFit1 and SAFit2, the most advanced FKBP51 inhibitors so far, were shown to be highly selective for FKBP51 over its closest homolog FKBP52, allowing the proof-of-concept studies in animal models. However, the SAFit ligands show several liabilities in their drug-like parameters and further modifications are needed for future drug developments. Due to the shallow binding site of FKBP51, the creation of low molecular mass inhibitors based on the SAFit scaffold remained unfruitful. Here, we pursued a different strategy and chose a structure-based approach to implement the SAFit scaffold into a macrocyclic framework. Macrocycles are a compound class known to be able to cope with difficult drug targets and key drug properties like solubility, metabolic stability, and oral bioavailability often benefit from the cyclization of linear ligands. Hence, we designed a synthesis strategy to vary linkage, linker length and functionalization and synthesized the first FKBP51-selective, macrocyclic ligand library. All 33 macrocycles retained high FKBP51 affinity and selectivity over FKBP52 and the incorporation of polar functionalities further enhanced affinity. Six high-resolution crystal structures of macrocyclic inhibitors in complex with FKBP51 confirmed the desired selectivity-enabling binding mode. Our results show that macrocyclization is a viable strategy to target the shallow FKBP51 binding site selectively. Furthermore, we present the synthesis of multi-gram amounts of SAFit2 as well as an inactive SAFit2 diastereomer and deuterated SAFit analogs. These compounds will contribute to high-quality research on FKBP51 in cellular and animal models and help to decipher its biochemical and biological role.

Das Protein FKBP51 (FK506-binding protein 51) spielt eine Schlüsselrolle bei verschiedenen Krankheiten wie stressbedingten Störungen, chronischen Schmerzen und Fettleibigkeit. Es konnte gezeigt werden, dass lineare Analoga von FK506, die bisher am weitesten fortgeschrittenen FKBP51-Inhibitoren SAFit1 und SAFit2, für FKBP51 gegenüber seinem Homologen FKBP52 hochselektiv sind, was Proof-of-Concept-Studien in Tiermodellen ermöglicht. Die SAFit-Liganden weisen jedoch mehrere Schwachstellen in ihren wirkstoffartigen Parametern auf und für zukünftige Arzneimittelentwicklungen sind weitere Modifikationen erforderlich. Aufgrund der flachen Bindungsstelle von FKBP51 blieb die Entwicklung von niedermolekularen Inhibitoren auf der Basis des SAFit-Gerüsts ergebnislos. Hier verfolgten wir eine andere Strategie und wählten einen strukturbasierten Ansatz, um das SAFit-Gerüst in eine makrozyklische Struktur zu implementieren. Makrozyklen sind eine Verbindungsklasse, die für die Bewältigung schwieriger Wirkstoffziele bekannt ist und wichtige Wirkstoffeigenschaften wie Löslichkeit, metabolische Stabilität und orale Bioverfügbarkeit profitieren häufig von der Zyklisierung linearer Liganden. Daher haben wir eine Synthesestrategie entwickelt, um Verknüpfung, Linkerlänge und Funktionalisierung zu variieren, und die erste FKBP51-selektive, makrozyklische Ligandenbibliothek synthetisiert. Alle 33 Makrozyklen behielten eine hohe FKBP51-Affinität und Selektivität gegenüber FKBP52 bei, und der Einbau polarer Funktionalitäten erhöhte die Affinität weiter. Sechs hochauflösende Kristallstrukturen von makrozyklischen Inhibitoren im Komplex mit FKBP51 bestätigten den gewünschten, selektivitäts-ermöglichenden Bindungsmodus. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Makrozyklisierung eine praktikable Strategie ist, um selektiv auf die flache FKBP51-Bindungsstelle abzuzielen. Darüber hinaus präsentieren wir die Synthese von SAFit2 im Multi-Gramm-Maßstab sowie die Synthesen eines inaktiven SAFit2-Diastereomers und deuterierter SAFit-Analoga. Diese Verbindungen werden zu qualitativ hochwertiger FKBP51-Forschung in Zell- und Tiermodellen sowie zur Entschlüsselung der biochemischen und biologischen Rolle von FKBP51 beitragen.