ANTICANCER AGENTSANTICANCER AGENTS
FARNESYL TRANSFERASE INHIBITORSFARNESYL TRANSFERASE INHIBITORS
Chapter 21Chapter 21
 Ras Protein Ras Protein
NotesNotes
Signalling protein that is crucial to cell growth and division
Abnormal form is present in 30% of cancers
Prevalent in colonic and pancreatic cancers
Abnormal Ras is coded by a mutated ras gene
Small G-protein
Binds GDP in resting state and GTP in active state
Active Ras normally autocatalyses hydrolysis of GTP back to GDP
Abnormal Ras fails to hydrolyse GTP
Abnormal Ras remains permanently active
Three human Ras proteins (H-Ras, N-Ras and K-Ras)
 Farnesyl transferase Farnesyl transferase
NotesNotes
Zinc metalloproteinase
Catalyses attachment of a farnesyl group to Ras
Hydrophobic farnesyl group anchors Ras to the inner part of the cell membrane
Farnesylation is necessary for Ras to become activated during signal transduction
Inhibition of farnesyl transferase should inhibit this process
FTaseFTase
FurtherFurther
processingprocessing
Methyl esterMethyl ester
 Farnesyl transferase Farnesyl transferase
Enzyme mechanismEnzyme mechanism
Farnesyl transferaseFarnesyl transferase
NotesNotes
Farnesyl diphosphate (FPP) binds first to the active site
FPP aids binding of Ras protein to the active site
Magnesium and iron ions are present as cofactors
Magnesium ion interacts with the pyrophosphate group
Results in a better leaving group
Iron ion interacts with the thiol group of cysteine
Results in a better nucleophile
FT SubstratesFT Substrates
C-a-a-XC-a-a-X
SubstrateSubstrate
C = cysteine
 a = valine, isoleucine or leucine
X = methionine, glutamine or serine
Substrates share terminal tetrapeptide moiety called the CaaX peptideSubstrates share terminal tetrapeptide moiety called the CaaX peptide
FT InhibitorsFT Inhibitors
AimsAims
Good inhibitory activity vs enzyme
Ability to cross the cell membrane to reach the enzyme
Metabolic stability
Aqueous solubility
Oral absorption
Favourable pharmacokinetic properties
FT InhibitorsFT Inhibitors
NotesNotes
Inhibitors were developed to mimic the terminal tetrapeptide moiety CaaX peptideInhibitors were developed to mimic the terminal tetrapeptide moiety CaaX peptide
Tetrapeptides having Phe next to X act as inhibitors
Serve as lead compounds
C-a-a-XC-a-a-X
SubstrateSubstrate
C-a-Phe-XC-a-Phe-X
InhibitorInhibitor
C = cysteine
 a = valine, isoleucine or leucine
X = methionine, glutamine or serine
Lead compoundLead compound
CysCys
ValVal
PhePhe
MetMet
DisadvantagesDisadvantages
Terminal carboxylic acid likely to be ionised - bad for absorption
Peptide bonds are susceptible to enzyme-catalysed hydrolysis
Poor stability to digestive or metabolic enzymes (e.g. aminopeptidases)
Lead compoundLead compound
CysCys
ValVal
PhePhe
MetMet
Drug designDrug design
NotesNotes
Modifications carried out to remove peptide nature peptidomimeticsModifications carried out to remove peptide nature peptidomimetics
Ester masks polar carboxylic acid or carboxylate ion acts as prodrugEster masks polar carboxylic acid or carboxylate ion acts as prodrug
Methyleneamino link replaces N-terminal peptide bondMethyleneamino link replaces N-terminal peptide bond
Methyleneamino link introduces resistance to aminopeptidasesMethyleneamino link introduces resistance to aminopeptidases
Peptide bond isostere introduced to mimic central peptide bondPeptide bond isostere introduced to mimic central peptide bond
Isostere should be capable of mimicing any binding interactionsIsostere should be capable of mimicing any binding interactions
Isostere should be stable to enzyme-catalysed hydrolysisIsostere should be stable to enzyme-catalysed hydrolysis
PeptidomimeticPeptidomimetic
Methylene-Methylene-
amino linkamino link
PeptidomimeticPeptidomimetic
EsterEster
Methylene-Methylene-
amino linkamino link
PeptidomimeticPeptidomimetic
Peptide bondisosterePeptide bondisostere
EsterEster
Methylene-Methylene-
amino linkamino link
PeptidomimeticPeptidomimetic
Examples of FT InhibitorsExamples of FT Inhibitors
R=H  FTI 276
R=iPr FTI 277
TerminalTerminal
amino groupamino group
ThiolThiol
AromaticAromatic
substituentsubstituent
NotesNotes
Thiol group forms important interactions with the zinc ion cofactorThiol group forms important interactions with the zinc ion cofactor
Methyleneamino link is stable to aminopeptidasesMethyleneamino link is stable to aminopeptidases
Aromatic substituent is important for inhibitory activityAromatic substituent is important for inhibitory activity
Aromatic ring acts as peptide bond isostereAromatic ring acts as peptide bond isostere
Terminal amino group is ionisedTerminal amino group is ionised
Terminal amino group forms an ionic bond to the phosphate group of FPPTerminal amino group forms an ionic bond to the phosphate group of FPP
Terminal carboxylate group is important to bindingTerminal carboxylate group is important to binding
Stablemethylene-amino linkStablemethylene-amino link
Peptide bondPeptide bond
isostereisostere
Stablemethylene-amino linkStablemethylene-amino link
Examples of FT InhibitorsExamples of FT Inhibitors
SulfoneSulfone
AromaticAromatic
substituentsubstituent
TerminalTerminal
amino groupamino group
ThiolThiol
R=H  L739750
R=iPr L744832
NotesNotes
Thiol group forms important interactions with the zinc ion cofactorThiol group forms important interactions with the zinc ion cofactor
Methyleneamino link is stable to aminopeptidasesMethyleneamino link is stable to aminopeptidases
Aromatic substituent is important for inhibitory activityAromatic substituent is important for inhibitory activity
Methyleneoxy group acts as the peptide bond isostereMethyleneoxy group acts as the peptide bond isostere
Terminal amino group is ionisedTerminal amino group is ionised
Terminal amino group forms an ionic bond to the phosphate group of FPPTerminal amino group forms an ionic bond to the phosphate group of FPP
Terminal carboxylate group is important to bindingTerminal carboxylate group is important to binding
Sulfone increases activity over methylthio groupSulfone increases activity over methylthio group
Peptide bondPeptide bond
isostereisostere
Stablemethylene-amino linkStablemethylene-amino link
AZD-3409AZD-3409
PyrrolidinePyrrolidine
AromaticsubstituentAromaticsubstituent
Examples of FT InhibitorsExamples of FT Inhibitors
NotesNotes
Thiol and carboxylic acid groups are both masked in the prodrugThiol and carboxylic acid groups are both masked in the prodrug
Lowers the toxicity risk of the thiol groupLowers the toxicity risk of the thiol group
Protects the thiol from possible metabolismProtects the thiol from possible metabolism
Pyrrolidine ring introduces conformational rigidityPyrrolidine ring introduces conformational rigidity
Potent inhibitor (Ki nM)Potent inhibitor (Ki nM)
Also inhibits geranylgeranyltransferase catalyses prenylation withgeranylgeranyl diphosphateAlso inhibits geranylgeranyltransferase catalyses prenylation withgeranylgeranyl diphosphate
Agents inhibiting both enzymes are potentially advantageousAgents inhibiting both enzymes are potentially advantageous
MaskinggroupMaskinggroup
MaskinggroupMaskinggroup
AZD-3409AZD-3409
Peptide bondPeptide bond
isostereisostere
MaskinggroupMaskinggroup
MaskinggroupMaskinggroup
AZD-3409AZD-3409
Structure IStructure I
IC50  1.4 nMIC50  1.4 nM
Examples of FT InhibitorsExamples of FT Inhibitors
NotesNotes
Non-peptide inhibitorNon-peptide inhibitor
Imidazole ring acts as the zinc ligandImidazole ring acts as the zinc ligand
Decreases the risk of toxicity due to free thiol groupDecreases the risk of toxicity due to free thiol group
Imidazole ringImidazole ring
Structure IStructure I
IC50  1.4 nMIC50  1.4 nM
LonafarnibLonafarnib
IC50  1.9 nMIC50  1.9 nM
Examples of FT InhibitorsExamples of FT Inhibitors
NotesNotes
Non-peptide inhibitorNon-peptide inhibitor
Developed from lead compound discovered by screening compound librariesDeveloped from lead compound discovered by screening compound libraries
10,000 times more active than the lead compound10,000 times more active than the lead compound
No ligand for the zinc cofactor is present!No ligand for the zinc cofactor is present!
Examples of FT InhibitorsExamples of FT Inhibitors
Non-peptide inhibitor
Developed from lonafarnib by structure-based drug design
Imidazole ring introduced as zinc ligand
Aromatic ring introduced as a steric shieldvs metabolism
 
Sch 226374Sch 226374
IC50 0.36 nMIC50 0.36 nM
LonafarnibLonafarnib
IC50  1.9 nMIC50  1.9 nM
StericSteric
shieldshield
Sch 226374Sch 226374
IC50 0.36 nMIC50 0.36 nM
ImidazoleImidazole
ringring
StericSteric
shieldshield
Sch 226374Sch 226374
IC50 0.36 nMIC50 0.36 nM
Development of TipifarnibDevelopment of Tipifarnib
Lead compound
Identified from screening compound libraries
Imidazole ring present - zinc ligand
Both aromatic rings are important to activity
I; IC50 180 nMI; IC50 180 nM
ImidazoleImidazole
QuinoloneQuinolone
I; IC50 180 nMI; IC50 180 nM
Strategy - variation of substituents
Activity increases with introductionof meta-chloro substituent
II; IC50 35 nMII; IC50 35 nM
Development of TipifarnibDevelopment of Tipifarnib
ImidazoleImidazole
QuinoloneQuinolone
I; IC50 180 nMI; IC50 180 nM
Strategy - variation of substituents
Activity increases with addition ofN-methyl substituent
II; IC50 35 nMII; IC50 35 nM
III; IC50 15 nMIII; IC50 15 nM
 Development of Tipifarnib Development of Tipifarnib
ImidazoleImidazole
QuinoloneQuinolone
I; IC50 180 nMI; IC50 180 nM
II; IC50 35 nMII; IC50 35 nM
III; IC50 15 nMIII; IC50 15 nM
IV; IC50 2.5 nMIV; IC50 2.5 nM
Strategy - variation of ring substitution
Activity increases
 Development of Tipifarnib Development of Tipifarnib
ImidazoleImidazole
QuinoloneQuinolone
I; IC50 180 nMI; IC50 180 nM
III; IC50 15 nMIII; IC50 15 nM
IV; IC50 2.5 nMIV; IC50 2.5 nM
Tipifarnib;  IC50 0.6 nMTipifarnib;  IC50 0.6 nM
Extension strategy
Extra functional group
Extra binding interactions
Activity increases
Development of TipifarnibDevelopment of Tipifarnib
ImidazoleImidazole
QuinoloneQuinolone
I; IC50 180 nMI; IC50 180 nM
II; IC50 35 nMII; IC50 35 nM
Other FactorsOther Factors
NotesNotes
FT-Inhibitors show potential as anticancer agentsFT-Inhibitors show potential as anticancer agents
Anticancer activity may not necessarily be due solely to FT-inhibitionAnticancer activity may not necessarily be due solely to FT-inhibition
FTIs inhibit farnesylation of H-Ras, N-Ras and K-RasFTIs inhibit farnesylation of H-Ras, N-Ras and K-Ras
But N-Ras and K-Ras can by prenylated by GGTaseBut N-Ras and K-Ras can by prenylated by GGTase
GGTase provides alternative mechanism of attaching Ras to cell membranesGGTase provides alternative mechanism of attaching Ras to cell membranes
FTI’s still have anticancer activity in cells expressing excess K-RasFTI’s still have anticancer activity in cells expressing excess K-Ras
Inhibition of FT may affect other cellular processes other than RasInhibition of FT may affect other cellular processes other than Ras