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KR100437991B1 - Crystal structure of the complex of human phosphodiesterase 4d with inhibitor thereof and method for screening regulator of human phosphodiesterase 4d - Google Patents

Crystal structure of the complex of human phosphodiesterase 4d with inhibitor thereof and method for screening regulator of human phosphodiesterase 4d Download PDF

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KR100437991B1
KR100437991B1 KR1020030002624A KR20030002624A KR100437991B1 KR 100437991 B1 KR100437991 B1 KR 100437991B1 KR 1020030002624 A KR1020030002624 A KR 1020030002624A KR 20030002624 A KR20030002624 A KR 20030002624A KR 100437991 B1 KR100437991 B1 KR 100437991B1
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KR
South Korea
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human phosphodiesterase
phosphodiesterase
complex
adenine
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조중명
이태규
노성구
전영호
황광연
김진환
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크리스탈지노믹스(주)
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Abstract

PURPOSE: 3D-Dimensional crystal structure of a complex of human phosphodiesterase 4D and its inhibitor, and a method for identifying a material regulating an activity of human phosphodiesterase 4D using the same are provided. The complex has an easy X-ray analysis and improved crystallinity, so that the crystal structure can be useful for treatment of asthma and immunological disease associated with human phosphodiesterase 4D. CONSTITUTION: The 3D-dimensional crystal structure of a complex of human phosphodiesterase 4D and adenine is provided, wherein the atom coordinates of the 3D-dimensional crystal structure of the complex are listed in table 2(b). The method for identifying a material regulating an activity of human phosphodiesterase 4D comprises the steps of: providing the 3D-dimensional crystal structure of a complex of human phosphodiesterase 4D and adenine by using X-ray crystallography; providing a candidate material regulating the activity of human phosphodiesterase 4D; and verifying the binding of the candidate activity regulating material to the adenine binding site of human phosphodiesterase 4D.

Description

인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 결정 구조 및 이를 이용하여 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 조절 물질을 확인하는 방법{CRYSTAL STRUCTURE OF THE COMPLEX OF HUMAN PHOSPHODIESTERASE 4D WITH INHIBITOR THEREOF AND METHOD FOR SCREENING REGULATOR OF HUMAN PHOSPHODIESTERASE 4D}CRYSTAL STRUCTURE OF THE COMPLEX OF HUMAN PHOSPHODIESTERASE 4D WITH INHIBITOR THEREOF AND METHOD FOR SCREENING REGULATOR OF HUMAN PHOSPHODIESTERASE 4D}

본 발명은 천식 및 면역성 질환 관련 표적 단백질인 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 결정화 및 그 결정의 3차원 구조, 및 이를 이용하여 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성을 조절하는 물질을 확인/고안하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to crystallization of a complex in which a human phosphodiesterase 4D, which is a target protein related to asthma and immune diseases, and an inhibitor is combined, and a three-dimensional structure of the crystal, and to modulate the activity of human phosphodiesterase 4D using the same. A method of identifying / designing a substance.

사이클릭 뉴클레오타이드는 여러 생리적 현상에 중요한 역할을 하는 세포내 2차 메신저이다. 이러한 뉴클레오타이드의 세포내 농도 수준은 합성 단계에서는 수용체 연관 효소들(예를 들어, adenylyl cyclase 및 guanylyl cyclase)에 의해서, 분해 단계에서는 포스포디에스터라제(phosphodiesterase)로 알려진 효소 군(family)에 의해서 조절된다. 포스포디에스터라제는 cAMP 및 cGMP 를 가수분해하여 AMP와 GMP를 생산한다. 11종의 포스포디에스터라제 유전자가 알려져 있고, 50개 이상의 동형(isoform)이 여러 조직에서 발견되었다. 이러한 동형은 세포 종류에 따라 서로 다르게 발현·조절되며, 이들의 존재 부위, 기질 선택성, 반응 속도 및 촉진제 또는 억제제에 대한 반응성 등은 서로 다른 것으로 보인다. 또한, 포스포디에스터라제는 레티날 분해, 울혈성 심부전증(congestive heart failure),우울증, 천식, 발기부전, 염증 등의 임상적 표적 단백질로서, 이들을 대상으로 하는 의약 개발이 활발히 이루어지고 있다(Torphy TJ,Am J Respir Crit Care Med, 157: 351-370(1998); Souness JE, et al.,Immunopharmacol, 47:127-162(2000); Barnette MS 및 Underwood DC,Curr Opin Pulm Med, 6:164-169(2000); Nell H, et al.,Am J Respir Crit Care Med, 161:A200(2000); Timmer W, et al.,Am J Respir Crit Care Med, 161:A505(2000); 및 Torphy TJ, et al.,Pulm Pharmacol Ther, 12:131-135(1999)).Cyclic nucleotides are intracellular secondary messengers that play an important role in many physiological phenomena. Intracellular concentration levels of these nucleotides are regulated by receptor-associated enzymes (eg, adenylyl cyclase and guanylyl cyclase) at the synthesis stage and by a family of enzymes known as phosphodiesterases at the degradation stage. do. Phosphodiesterases hydrolyze cAMP and cGMP to produce AMP and GMP. Eleven phosphodiesterase genes are known and more than 50 isoforms have been found in various tissues. These isotypes are expressed and regulated differently according to cell types, and their presence sites, substrate selectivity, reaction rate, and reactivity with accelerators or inhibitors appear to be different. In addition, phosphodiesterases are clinical target proteins such as retinal breakdown, congestive heart failure, depression, asthma, erectile dysfunction, inflammation, etc. TJ, Am J Respir Crit Care Med , 157: 351-370 (1998); Souness JE, et al., Immunopharmacol , 47: 127-162 (2000); Barnette MS and Underwood DC, Curr Opin Pulm Med , 6: 164 -169 (2000); Nell H, et al., Am J Respir Crit Care Med , 161: A 200 (2000); Timmer W, et al., Am J Respir Crit Care Med , 161: A505 (2000); and Torphy TJ, et al., Pulm Pharmacol Ther , 12: 131-135 (1999)).

알려진 11종의 포스포디에스터라제 군중에서 cAMP 특이성 포스포디에스터라제 4는 A 내지 D의 4가지 동형을 가지며, 각각의 동형은 체내 부위에 따라 발현 정도가 다르며 활성 도메인을 제외한 N 말단 부위의 길이가 조금 다르지만, 각 동형의 활성 부위는 동일한 구조 및 아미노산 잔기를 가진다(Xu RX, et al.,Science, 288:1822-1825(2000); 및 Lee ME, et al.,FEBS Letters, 530:53-58(2002)).In 11 known phosphodiesterase populations, cAMP specific phosphodiesterase 4 has four isoforms of A to D, and each isoform differs in expression depending on the site of the body, and the N-terminal region excluding the active domain Although slightly different in length, each homozygous active site has the same structure and amino acid residues (Xu RX, et al., Science , 288: 1822-1825 (2000); and Lee ME, et al., FEBS Letters , 530: 53-58 (2002)).

포스포디에스터라제 4는 특히 염증세포, 면역세포 및 기관지 평활근에서 많이 발현되며, 이러한 세포에서 포스포디에스터라제 4가 억제되면 세포 트래피킹(trafficking) 및 분화가 차단되고, 염증 매개체, 사이토카인 및 활성 산소(reactive oxygen species) 생산이 저하된다. 포스포디에스터라제 4의 억제제들은 동물 모델에서 일반적으로 항 염증 및 기관지 확장의 효과를 보이며, 임상 실험에서 천식, 만성 폐색성 폐질환(Chronic obstructive pulmonary disease, COPD) 및 아토피성 피부염의 치료 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다(Barnette MS 및 Underwood DC,Curr Opin Pulm Med, 6:164-169(2000); Torphy TJ, et al.,PulmPharmacol Ther, 12:131-135(1999); Hanifin JM, et al.,J Invest Dermatol, 107:51-56(1996); 및 Souness JE, et al.,Immunopharmacol, 47; 127-162(2000)). 그러나 여러 포스포디에스터라제 4 억제제들은 어지러움, 구토 등의 부작용을 나타내어 이들을 임상에 적용하기가 어려웠다(Horowski R and Sastre-y-hernandez M, Current Therapeutic Res, 38:23(1985); Robichaud A, et al.,Neuropharmacology, 38:289-297(1999); 및 Barnette MS,Prog Drug Res, 53:193-229(1999)).Phosphodiesterase 4 is particularly expressed in inflammatory cells, immune cells, and bronchial smooth muscle, and inhibition of phosphodiesterase 4 in these cells blocks trafficking and differentiation, and inflammatory mediators, cytokines And production of reactive oxygen species is reduced. Inhibitors of phosphodiesterase 4 generally have the effect of anti-inflammatory and bronchial dilatation in animal models, and in clinical trials have been shown to be effective in treating asthma, chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and atopic dermatitis. (Barnette MS and Underwood DC, Curr Opin Pulm Med , 6: 164-169 (2000); Torphy TJ, et al., Pulm Pharmacol Ther , 12: 131-135 (1999); Hanifin JM, et al. J Invest Dermatol , 107: 51-56 (1996); and Souness JE, et al., Immunopharmacol , 47; 127-162 (2000). However, several phosphodiesterase 4 inhibitors have side effects such as dizziness and vomiting, making it difficult to apply them clinically (Horowski R and Sastre-y-hernandez M, Current Therapeutic Res , 38:23 (1985); Robichaud A). , et al., Neuropharmacology , 38: 289-297 (1999); and Barnette MS, Prog Drug Res , 53: 193-229 (1999).

포스포디에스터라제 4는 2가 양이온 의존성 가수분해효소이다. 포스포디에스터라제 4B의 단백질 3차원 구조 연구는 글락소스미스클라인(GlaxoSmithklein) 사의 Robert 등에 의해서 활성 도메인의 구조가 규명되었고(Robert X, et al.,Science, 288:1822-1825(2000)), 이 구조는 활성 도메인의 입체적 모양, 효소의 작용 및 활성 부위의 금속 양이온의 존재에 대한 정보를 제공한다. 2개의 2가 양이온이 이들 포스포디에스터라제의 공통적인 아미노산에 결합되어 있는데, 하나(M1)는 His238, His274, Asp275 및 Asp392와 배위결합을, 다른 하나(M2)는 Asp275 및 M1에 물분자를 통한 약한 결합을 하고 있다. 이들 금속 이온들은 cAMP와의 높은 친화력을 갖게 하고, cAMP의 인산기를 킬레이팅하여 인산기의 전자 친화력을 높혀 반응성을 향상시킨다.Phosphodiesterase 4 is a divalent cation dependent hydrolase. Protein three-dimensional structural studies of phosphodiesterase 4B have been characterized by Robert et al. Of GlaxoSmithklein (Robert X, et al., Science , 288: 1822-1825 (2000)). This structure provides information about the steric shape of the active domain, the action of the enzyme and the presence of metal cations in the active site. Two divalent cations are bound to the common amino acids of these phosphodiesterases, one (M1) coordinates His238, His274, Asp275 and Asp392, and the other (M2) water molecules to Asp275 and M1 Weak coupling through. These metal ions have a high affinity with cAMP, chelating the phosphate group of cAMP to increase the electron affinity of the phosphate group to improve the reactivity.

지금까지 연구된 포스포디에스터라제 억제제들로는 글락소스미스클라인 사의 실로밀라스트(Cilomilast) 및 로프루밀라스트(Roflumilast), 베이어(Bayer) 사의 베이(BAY) 19-8004 및 야마노우치(Yamanouchi) 제약의 YM-976 등이 있다. 이러한 화합물들의 약효는 동물실험 및 임상실험에서 검증되었으며, 약효 및 선택성이 좋은 화합물일수록 어지러움, 구토 등의 부작용은 감소되는 경향을 보인다. 따라서, 이들 보다 약효가 개선된 새로운 포스포디에스터라제 4의 억제제들의 개발이 요구되고 있는 실정이다(Torphy TJ,Am J Respir Crit Care Med, 157:351-370(1998); Souness JE, et al.,Immunopharmacol, 47:127-162(2000); Barnette MS and Underwood DC,Curr Opin Pulm Med, 6:164-169(2000); Nell H, et al.,Am J Respir Crit Care Med, 161:A200(2000); Timmer W, et al.,Am J Respir Crit Care Med, 161:A505(2000); 및 Torphy TJ, et al.,Pulm Pharmacol Ther, 12:131-135(1999)).Phosphodiesterase inhibitors studied so far include Cylomilast and Roflumilast from GlaxoSmithKline, BAY 19-8004 from Bayer and YM- from Yamanouchi Pharmaceuticals. 976 and the like. The efficacy of these compounds has been verified in animal experiments and clinical trials, and the better the drug efficacy and selectivity, the less side effects such as dizziness and vomiting. Thus, there is a need for the development of new phosphodiesterase 4 inhibitors with improved efficacy than these (Torphy TJ, Am J Respir Crit Care Med , 157: 351-370 (1998); Souness JE, et al. , Immunopharmacol , 47: 127-162 (2000); Barnette MS and Underwood DC, Curr Opin Pulm Med , 6: 164-169 (2000); Nell H, et al., Am J Respir Crit Care Med , 161: A200. (2000); Timmer W, et al., Am J Respir Crit Care Med , 161: A505 (2000); and Torphy TJ, et al., Pulm Pharmacol Ther , 12: 131-135 (1999).

이러한 약효 및 선택성이 좋은 약물을 신속하고 효과적으로 발굴하기 위해서는 결정화 등의 방법을 이용하여 단백질의 입체 구조를 규명하고, 이러한 단백질의 구조를 바탕으로 조절 물질을 발굴하는 방법이 유용한 방법이다. 현재 포스포디에스터라제 4는 억제제가 결합하지 않은, 단백질만의 구조가 밝혀져 있는데(Robert X, et al.,Science, 288:1822-1825(2000), 이것만으로는, 억제제 및 cAMP의 구체적인 결합 메카니즘을 알 수 없고, 억제제와 상호작용하는 아미노산 잔기의 입체 모양도 추측에 의존할 수 밖에 없다.In order to quickly and effectively discover such drugs having good efficacy and selectivity, a method of identifying a three-dimensional structure of a protein using crystallization or the like and discovering regulatory substances based on the structure of the protein are useful methods. Currently, phosphodiesterase 4 has been shown to have a protein-only structure to which no inhibitor binds (Robert X, et al., Science , 288: 1822-1825 (2000), which alone indicates the specific binding mechanism of the inhibitor and cAMP). It is unknown that the conformation of amino acid residues interacting with the inhibitor also depends on conjecture.

따라서 본 발명자들은 포스포디에스터라제 4에 억제제가 결합된 복합체를 만들어 이 복합체의 결정 구조를 규명함으로써, 포스포디에스터라제 4와 억제제와의 결합 메커니즘을 밝히고, 결합에 관여하는 아미노산 잔기 및 이들의 입체적 모양을 밝혀, 새로운 억제제 발굴에 활용하고자 한다. 또한 억제제의 결합에 의해 활성 부위의 구조가 변화하는지, 그대로 유지되는지에 대한 정보도 복합체 구조 연구를통하여 얻을 수 있었다.Therefore, the present inventors have made a complex in which an inhibitor is bound to phosphodiesterase 4 and elucidates the crystal structure of the complex, thereby revealing a binding mechanism between phosphodiesterase 4 and an inhibitor, and amino acid residues involved in binding and these To determine the three-dimensional shape of the new inhibitors will be utilized. In addition, information on whether the structure of the active site is changed or maintained by the binding of the inhibitor can be obtained through complex structure studies.

본 발명에서 포스포디에스터라제 4D의 억제제로 사용된 자다베린(zardaverine)은 6-(4-(디플루오로메톡시)-3-메톡시페닐)-3(2H)-피리다지논(6-(4-(difluoromethoxy)-3-methoxyphenyl)-3(2H)-pyridazinone)의 구조를 가진 화합물로서, 포스포디에스터라제 3 및 4의 억제제이다. 이 화합물은 대부분의 포스포디에스터라제의 억제제들이 가지는 중요한 결합 부위인 카테콜(catechol) 유형의 4-(디플루오로메톡시)-3-메톡시페닐기를 가지고 있어, 이 화합물의 복합체 구조는 포스포디에스터라제 4와 억제제의 결합 메카니즘 연구 및 새로운 억제제 발굴에 중요한 정보를 제공한다.In the present invention, zardaverine used as an inhibitor of phosphodiesterase 4D is 6- (4- (difluoromethoxy) -3-methoxyphenyl) -3 (2H) -pyridazinone (6- Compound having the structure of (4- (difluoromethoxy) -3-methoxyphenyl) -3 (2H) -pyridazinone), is an inhibitor of phosphodiesterases 3 and 4. The compound has a 4- (difluoromethoxy) -3-methoxyphenyl group of the catechol type, which is an important binding site for most inhibitors of phosphodiesterases. It provides important information for studying the binding mechanism of podiesterase 4 and inhibitors and finding new inhibitors.

또한 본 발명에서 포스포디에스터라제 4D의 억제제로서 사용된 아데닌(adenine)은 포스포디에스터라제 4의 기질인 cAMP의 일부 구조로서, cAMP 특이적 포스포디에스터라제의 기질 결합에 대한 중요한 정보를 제공한다.In addition, adenine (adenine) used as an inhibitor of phosphodiesterase 4D in the present invention is part of the structure of cAMP, which is a substrate of phosphodiesterase 4, and important information on substrate binding of cAMP specific phosphodiesterase To provide.

이에 본 발명자들은 포스포디에스터라제 4D와 이의 활성 부위에 결합하는 억제제와의 복합체를 결정화하고, x-선 결정화법에 의하여 결정의 3차원 구조를 규명하여 포스포디에스터라제 4D의 활성을 조절하는 물질을 확인 및 고안하는 방법을 확립함으로써 본 발명을 완성하였다.The present inventors crystallize a complex of phosphodiesterase 4D and an inhibitor that binds to its active site, and identify the three-dimensional structure of the crystal by x-ray crystallization to modulate the activity of phosphodiesterase 4D. The present invention has been completed by establishing a method of identifying and devising a substance.

본 발명의 목적은 새로운 항생제 표적 단백질인 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체를 결정화하는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for crystallizing a complex in which a new antibiotic target protein, human phosphodiesterase 4D, and an inhibitor are bound.

본 발명의 다른 목적은 x-선 결정화법(x-ray crystallography)을 통하여 상기 방법에 의해 결정화된 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체 결정의 3차원 구조를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a three-dimensional structure of a complex crystal in which phosphodiesterase 4D and an inhibitor are crystallized by the method through x-ray crystallography.

본 발명의 또 다른 목적은 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체 결정의 3차원 구조를 이용하여 포스포디에스터라제 4D의 활성 조절 물질을 발굴하는 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for discovering an activity modulator of phosphodiesterase 4D using a three-dimensional structure of a complex crystal in which phosphodiesterase 4D and an inhibitor are bound.

도 1은 포스포디에스터라제 4(Phosphodiesterase 4)의 생리학적 기전을 도식화한 것이고,Figure 1 is a schematic of the physiological mechanism of phosphodiesterase 4 (Phosphodiesterase 4),

도 2는 포스포디에스터라제 4D와 억제제인 자다베린(zadaverine)이 결합된 복합체의 구조를 골격구조로 나타낸 것이며,Figure 2 shows the structure of the complex conjugated phosphodiesterase 4D and the inhibitor zadaverine (zadaverine),

도 3은 포스포디에스터라제 4D와 억제제인 아데닌(adenine)이 결합된 복합체의 구조를 골격구조로 나타낸 것이며,Figure 3 shows the structure of the complex conjugated to the phosphodiesterase 4D and the inhibitor adenine (adenine),

도 4는 포스포디에스터라제 4D와 억제제인 자다베린이 결합된 복합체의 구조를 단백질의 표면구조와 억제제의 골격구조로 나타낸 것이며,Figure 4 shows the structure of the complex conjugated phosphodiesterase 4D and the inhibitor jadaberin as the surface structure of the protein and the skeleton of the inhibitor,

도 5는 포스포디에스터라제 4D와 억제제인 자다베린이 결합된 복합체의 전자 밀도 지도를 나타낸 것이며,5 shows an electron density map of a complex in which phosphodiesterase 4D and an inhibitor jadaberin are bound,

도 6 및 7은 포스포디에스터라제 4D의 활성을 조절하는 조절 후보 물질을 확인하기 위하여, 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조를 사용하는 발명의 방법을 도식화한 순서도이다.6 and 7 are flow charts illustrating the inventive method of using a three-dimensional structure of a complex in which a phosphodiesterase 4D is combined with an inhibitor to identify regulatory candidates that modulate the activity of phosphodiesterase 4D. to be.

상기 목적에 따라, 본 발명은 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체를 방울 혼합 증기 평형법(hanging-drop vapour diffusion method)에 의하여 결정화시키는 것을 특징으로 하는 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 결정화 방법을 제공한다.In accordance with the above object, the present invention is characterized in that the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor-bound complexes are crystallized by a hanging-drop vapour diffusion method, characterized in that the human phosphodiesterase 4D It provides a method for crystallization of a complex in which an inhibitor is combined.

상기 다른 목적에 따라, 본 발명은 x-선 결정화법을 통하여 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공한다.According to this another object, the present invention provides a three-dimensional structure of a complex in which human phosphodiesterase 4D and an inhibitor are bound through x-ray crystallization.

상기 또 다른 목적에 따라, 본 발명은 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성을 조절할 수 있는 물질을 확인 또는 고안하는 방법을 제공한다.In accordance with another object, the present invention provides a method for identifying or designing a substance capable of modulating the activity of human phosphodiesterase 4D.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

인간 포스포디에스터라제 4D의 결정화를 위해서, 단백질 내에 높은 유동성을 나타내는 부분이 있으면 이를 예측하여 미리 제거해야 한다. 유동성을 나타내는 부분이 있으면 결정이 잘 생성되지 않기 때문에 이를 제거하는 것이 결정화의 성공확률을 높이는데 매우 중요하다. 따라서, 본 발명에 사용되는 인간 포스포디에스터라제 4D는 유동성을 나타내는 부분이 포함되지 않으면서도 효소의 활성 도메인을 모두 포함하도록, 아미노산 183 트레오닌(threonine)(N-말단)으로부터 아미노산 510 세린(serine)(C-말단)까지의 인간 포스포디에스터라제 4D를 사용하고, 정제를 용이하게 하기 위해 N-말단에 GST(Glutathione S Transferase) 단백질을 결합시키고, 최종 단계에서 이 GST 단백질 부분을 제거한다.For the crystallization of human phosphodiesterase 4D, any portion of the protein that exhibits high fluidity should be predicted and removed in advance. If there is a part showing liquidity, crystals are not well formed, so removing them is very important to increase the probability of success of crystallization. Thus, the human phosphodiesterase 4D used in the present invention contains amino acid 510 serine from amino acid 183 threonine (N-terminus) so that it contains all the active domains of the enzyme without including the part showing fluidity. Human phosphodiesterase 4D up to (C-terminus) is used and a GST (Glutathione S Transferase) protein is bound to the N-terminus to facilitate purification, and this GST protein portion is removed in the final step. .

인간 포스포디에스터라제 4D는 공지의 유전공학적인 방법을 통해서 발현시키는데, 상기 아미노산 서열을 코딩하는 유전자를 PCR을 통해 증폭시키고 이를 GST 퓨전 발현 벡터에 클로닝한 후, 이 클로닝 벡터로 형질전환시킨 대장균에 의해 발현되도록 하여 수득할 수 있다.Human phosphodiesterase 4D is expressed by known genetic engineering methods.E. Coli amplified a gene encoding the amino acid sequence by PCR, cloned it into a GST fusion expression vector, and transformed with the cloning vector. It can be obtained by being expressed by.

이와 같이 수득된 포스포디에스터라제 4D는 공지된 방법으로 이온 교환 수지 컬럼 및 겔 여과 크로마토그래피 등에 의한 정제 단계를 거쳐야 한다.The phosphodiesterase 4D thus obtained must undergo a purification step by ion exchange resin column, gel filtration chromatography, etc. in a known manner.

상기와 같이 포스포디에스터라제 4D를 정제한 후에는 이를 결정화한다.After purification of phosphodiesterase 4D as described above, it is crystallized.

단백질을 결정화하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 본 발명에서는 방울 혼합 증기 평형법(hanging-drop vapour diffusion method)(Jancarik,J. et al.,J. Appl. Cryst.,24, 409-411(1991) 참조)에 의해 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체를 다음과 같이 결정화시킨다.There are various methods of crystallizing proteins, but in the present invention, a hanging-drop vapour diffusion method (Jancarik, J. et al., J. Appl. Cryst ., 24 , 409-411 (1991) The complex in which the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor are bound is crystallized as follows.

밀폐된 공간에 단백질 용액과 저수조(reservior) 용액의 비율이 1:1인 모액의 작은 방울과 훨씬 큰 규모의 저수조 용액이 분리된 채 공존할 때, 이들 사이에 물 또는 다른 휘발성 물질의 이동이 일어난다.When small droplets of mother liquor and a much larger reservoir solution coexist in a confined space with a 1: 1 ratio of protein solution and reservoir solution, water or other volatiles move between them. .

과포화 상태의 단백질 용액 조건에 있어서, 이러한 열역학적 준안정 상태에서 모액의 처음 상태로부터 물 또는 다른 휘발성 물질의 이동에 의해 침전제의 농도가 점점 높아지게 됨에 따라 단백질이 침전되는데 그 속도가 느리게 진행되면 안정된 결정화 상태가 된다. 침전제는 농축상태의 단백질 용액의 용해도를 줄여 주는 역할을 하게 된다. 단백질은 주위의 상대적인 흡착층을 감소시키기 위하여 서로 모여들어 결정을 형성하게 된다.Under supersaturated protein solution conditions, in these thermodynamic metastable states, the protein precipitates as the concentration of precipitant increases due to the migration of water or other volatiles from the initial state of the mother liquor. Becomes The precipitant serves to reduce the solubility of the concentrated protein solution. Proteins gather together to form crystals to reduce the relative adsorption layer around them.

저수조 용액은 침전제, 완충액, 염, 청정제(detergent) 등이 혼합되어 있는데, 일반적으로 단백질 용액과 저수조 용액은 1:1의 비율로 섞어 모액의 방울을 제조한다.The reservoir solution is a mixture of precipitants, buffers, salts, detergents, etc. In general, the protein solution and the reservoir solution are mixed in a ratio of 1: 1 to prepare drops of mother liquor.

제조된 방울을 실리콘으로 코팅된 유리 슬라이드 표면에 떨어뜨리고 이 슬라이드를 저수조 용액이 들어 있는 플레이트 위에 밀봉한다. 초기에는 방울중 단백질의 농도가 저수조 용액의 농도와 차이가 있어서 단백질이 결정 상태로 존재하지 않는다. 이렇게 밀봉된 상태로 놓아두면 서서히 평형이 이루어지는데, 이때 상기에 설명한 원리에 의해 특정 상태의 조건에서 결정이 형성되는 것이다.The prepared drops are dropped on a glass slide surface coated with silicone and the slide is sealed on a plate containing a reservoir solution. Initially, the concentration of protein in the droplets differs from that of the reservoir solution so that the protein does not exist in the crystalline state. When left in this sealed state, equilibrium is gradually achieved, in which crystals are formed under specific conditions according to the principles described above.

이러한 방울 혼합 증기 평형법에서는, 단백질의 종류에 따라 저수조 용액의 pH, 온도, 및 침전제, 염, 완충액 및 청정제의 종류 및 농도가 선택되고, 경우에 따라서는 이들이 단백질의 결정 형성에 있어서 아주 중요한 요소가 된다.In this drop-mixed vapor equilibrium method, the pH, temperature, and type and concentration of precipitants, salts, buffers, and detergents of the reservoir solution are selected according to the type of protein, and in some cases, they are very important factors in the crystal formation of proteins. Becomes

본 발명의 단백질 용액은 포스포디에스터라제 4D의 용액에 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위에 결합하는 억제제인 하기 구조의 자다베린 또는 아데닌를 첨가하여 제조한다:The protein solution of the present invention is prepared by adding, to a solution of phosphodiesterase 4D, jadaberin or adenine of the following structure, an inhibitor that binds to the active site of human phosphodiesterase 4D:

저수조 용액은 침전제와 완충액을 포함할 수 있다. 완충액으로서는 카코딜레이트 완충액을 사용하는 것이 바람직하며, 완충액의 농도는 0.05 M 내지 0.20 M, 바람직하게는 0.10 M이다. 또한 저수조 용액의 pH는 6.0 내지 7.0, 바람직하게는 pH 6.5이다.The reservoir solution may comprise a precipitant and a buffer. It is preferable to use cacodylate buffer as the buffer, and the concentration of the buffer is 0.05 M to 0.20 M, preferably 0.10 M. In addition, the pH of the reservoir solution is 6.0 to 7.0, preferably pH 6.5.

단백질을 침전시키기 위한 침전제로는 황산 암모늄 또는 폴리에틸렌 등이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌 8000이 바람직하다. 침전제의 농도는 5% 내지 25 %, 바람직하게는 11 %이다.As a precipitant for precipitating proteins, ammonium sulfate or polyethylene may be used, and polyethylene 8000 is preferable. The concentration of precipitant is 5% to 25%, preferably 11%.

저수조 용액은 또한 결정 형성을 촉진시킬 목적으로 사용되는 염으로 염화나트륨, 염화칼륨, 구연산염, 리튬암모늄, 칼슘클로라이드염 또는 마그네슘 아세테이트염, 바람직하게는 마그네슘 아세테이트염을 포함할 수 있다. 염의 농도는 0.5 M 내지 0.8 M, 바람직하게는 0.6 M이다.The reservoir solution may also include sodium chloride, potassium chloride, citrate, lithium ammonium, calcium chloride salts or magnesium acetate salts, preferably magnesium acetate salts, as salts used to promote crystal formation. The concentration of the salt is 0.5 M to 0.8 M, preferably 0.6 M.

단백질 용액과 저수조 용액은 일반적으로 1:1의 비율로 섞어서 방울을 만든 후, 이를 유리 슬라이드 표면에 접촉시킨다.Protein solution and reservoir solution are generally mixed in a ratio of 1: 1 to make droplets and then contacted to the glass slide surface.

결정 형성 반응 온도는 4 내지 30℃, 바람직하게는 25℃이며, 반응 시간은 1일 내지 1달, 바람직하게는 1주 내지 2주이다.Crystal formation reaction temperature is 4-30 degreeC, Preferably it is 25 degreeC, and reaction time is 1 day-1 month, Preferably 1 week-2 weeks.

또한 단백질 결정의 특성상 x-선의 높은 에너지에 노출된 결정은 수명이 짧아지고 데이터의 강도도 약해져서 구조 분석에 영향을 주므로, 이를 방지하기 위해서 x-선 분석전에 상기에서 제조된 결정을 고속으로 질소 냉각할 수 있다.In addition, due to the nature of protein crystals, crystals exposed to high energy of x-rays have a shorter lifespan and weaker data, which affects structural analysis. can do.

이는 액체 질소를 100 K의 온도까지 냉각시킨 후 실험 도중 지속적으로 노출시키는 방법으로, 3차원 구조의 데이터를 지속적으로 확보하기 위해서 꼭 필요하다.This is a method of cooling liquid nitrogen to a temperature of 100 K and continuously exposing it during the experiment, which is necessary to continuously acquire data of a three-dimensional structure.

본 발명에서는 Tris 완충액, 염화칼슘 염, 폴리에틸렌글리콜 8000, 파라톤N를 포함하는 고속 냉각용 용액으로 액체 질소 냉각시킴으로써 인간 포스포디에스터라제 4D 결정을 효과적으로 보호할 수 있다.In the present invention, it is possible to effectively protect the human phosphodiesterase 4D crystals by liquid nitrogen cooling with a solution for fast cooling containing Tris buffer, calcium chloride salt, polyethylene glycol 8000, and paratone N.

고속 냉각용 용액에 있어서, 카코딜레이트 완충액의 농도는 0.05 내지 0.20 M, 바람직하게는 0.10 M 이고, 마그네슘 아세테이트염의 농도는 0.5 M 내지 0.8 M, 바람직하게는 0.6 M 이다. 고속 질소 냉각법은 100 K의 온도에서 수행한다.In the solution for high speed cooling, the concentration of the cacodylate buffer is 0.05 to 0.20 M, preferably 0.10 M, and the concentration of the magnesium acetate salt is 0.5 M to 0.8 M, preferably 0.6 M. Fast nitrogen cooling is carried out at a temperature of 100 K.

본 발명의 다른 목적에 따라, 인간 포스포디에스터라제 4D-자다베린 및 인간 포스포디에스터라제 4D-아데닌 복합체의 결정 구조를 제공한다.According to another object of the present invention, there is provided a crystal structure of human phosphodiesterase 4D-zadaberin and human phosphodiesterase 4D-adenine complex.

상기로부터 얻은 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체 결정의 3차원 구조를 알아내기 위해, x-선 영상 플레이트를 사용하여 회절 패턴을 얻고, 구조 치환법을 통하여 위상(phase) 정보를 얻는다.In order to determine the three-dimensional structure of the complex crystal in which the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor are obtained, the diffraction pattern is obtained using an x-ray image plate, and phase information is obtained through structure substitution. Get

인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 x-선 회절 패턴 및 위상 정보로부터 전자 밀도 지도를 작성하고, 다시 이로부터 원자 좌표를 도출함으로써 3차원 구조를 얻는다.A three-dimensional structure is obtained by preparing an electron density map from the x-ray diffraction pattern and phase information of the complex in which the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor are combined, and then deriving atomic coordinates therefrom.

이러한 결정을 x-선을 사용한 데이터의 수집은 x-선의 공급원에 따라 일반 실험실에서 얻는 방법 (Home source) 및 방사광 (Synchrotron)을 이용하는 방법으로 나눌 수 있다.The collection of data using x-rays can be divided into methods using home laboratories and radiation (Synchrotron), depending on the source of the x-rays.

방사광을 이용하면 결정 크기가 50㎛ 정도의 작은 결정까지도 가능하고, 하나의 파장뿐만 아니라 여러 파장에서 데이터를 모을 수 있기 때문에 신속한 구조를 얻을 수 있다.The use of radiated light enables crystals with crystal sizes as small as 50 μm, and data can be collected at multiple wavelengths as well as one wavelength, resulting in a quick structure.

본 발명에서는 방사광을 이용하여 회절 데이터를 얻었으며, 결정의 공간군은 P212121, 직방정계; a=97.3, b=164.6, c=325.5 Å이고, 2.9 Å의 데이터 해상도를 얻었다.In the present invention, diffraction data was obtained using the emitted light, and the spatial group of crystals was P2 1 2 1 2 1 , rectangular system; a = 97.3, b = 164.6, c = 325.5 Hz, and a data resolution of 2.9 Hz was obtained.

위상 정보는 중금속치환법(Multiple Isomorphous Replacement), 다중파장분석법(Multiwavelength Anomalous Dispersion) 및 구조 치환법(Molecular Replacement)을 통해 얻을 수 있다.The phase information can be obtained through Multiple Isomorphous Replacement, Multiwavelength Anomalous Dispersion, and Molecular Replacement.

첫째, 중금속치환법은 여러 결정을 중금속으로 치환하여 데이터를 모은 후 그 정보를 분석, 위상 정보를 얻는 것이다.First, the heavy metal substitution method is to replace various crystals with heavy metals, collect data, analyze the information, and obtain phase information.

둘째, 다중파장분석법은 중금속 대신에 결정내의 특이적인 금속 또는 원자를 이용하여 여러 파장에서의 그 원자의 어내멀러스를 이용하여 데이터를 모은 후 위상 정보를 얻는 것으로 최근 2~3년에 널리 이용되고 있다. 즉 여러 결정에서 데이터를 수집하는 번거로움 없이 하나의 결정으로부터 분자생물학적 방법을 이용하여 아미노산 Met이 se-Met로 치환되어 이 se 원자를 이용하여 쉽게 데이터를 얻을 수있다. 그러나 이 방법은 꼭 방사광에서만 얻을 수 있다.Secondly, multi-wavelength analysis is widely used in the last two to three years to obtain data after collecting data by using specific metals or atoms in the crystal instead of heavy metals and using the atomizer of the atoms at various wavelengths. have. In other words, the amino acid Met is replaced with se-Met from a single crystal using molecular biological method without the hassle of collecting data from multiple crystals, so that data can be easily obtained using this se atom. However, this method can only be obtained from radiated light.

셋째, 구조 치환법은 이미 알려진 유사한 구조로부터 위상문제를 해결하는 방법으로, 이는 알려진 구조가 증가함에 따라 널리 이용되는 방법이다. 각각의 구조를 데이터로부터 얻은 후, 이 데이터와 우리의 모델이 최대한 잘 맞게 해주는 정밀화 단계 과정이 진행된다. 이러한 과정은 여러 가지 프로그램(CCP4, O, Quanta, CNS 등)을 이용하여 수행되며, 각각의 각도 및 결합 길이 등의 표준화 과정이 필요한데, 이 과정에서는 컴퓨터의 성능과 눈으로 보고 직접 모델을 얻어진 전자밀도 지도에 맞추는 과정이 반복, 수행된다. 구조 정밀화 작업후 분석 단계에서는 그 구조로부터 여러 가지 정보를 유추 해석해 내며, 이러한 분석 단계에서 구조에 바탕을 둔 작용기작에 대한 연구를 할 수 있으며, 이러한 정확한 작용기작에 대한 연구는 신약개발에 필요한 여러 가지 정보를 얻어내는 기반이 된다. 또한, 그 단백질에 대한 억제제와의 복합체의 구조를 통해서는 직접적인 관련 잔기들을 알 수 있으므로, 그 다음 단계의 억제제 연구에 중요한 정보를 제공하게 된다.Third, the structural substitution method solves the phase problem from similar structures already known, which is widely used as the known structures increase. After each structure is obtained from the data, a refinement process is performed to ensure that this data and our model fit as closely as possible. This process is carried out using a variety of programs (CCP4, O, Quanta, CNS, etc.) and standardization of each angle and coupling length is required. The process of fitting the density map is repeated. In the analysis phase after structural refinement, various information is inferred and interpreted from the structure. In this analysis phase, the mechanism of action based on the structure can be studied. It is the basis for obtaining branch information. In addition, the structure of the complex with the inhibitor for the protein can directly identify the relevant residues, providing important information for the next step in the study of the inhibitor.

본 발명에서는 구조 치환법을 사용하여 위상 정보를 얻었는데, 구조 치환법의 계산은 AmoRe 프로그램(Navaza, J.,Acta Crystallogr.,A50, 157-163(1994))을 사용하였고, 구조의 정밀화 작업은 CNS 프로그램(Brunger, AT. et al.,Acta Cryst., D54, 905-921(1998))으로 수행하였다.In the present invention, the phase information was obtained by using a structural substitution method, and the calculation of the structural substitution method was performed using the AmoRe program (Navaza, J., Acta Crystallogr. , A50 , 157-163 (1994)), and refinement of the structure. Was performed with the CNS program (Brunger, AT. Et al., Acta Cryst., D54 , 905-921 (1998)).

상기의 결과로 얻어진 위상 정보는 전자 밀도 함수 계산에 사용되는데, 위상은 약 74만개의 각 회절 점에 하나씩 주어지는 각도로 0 내지 360°의 분포를 가진다.The resulting phase information is used to calculate the electron density function, which has a distribution of 0 to 360 ° at an angle given one at each of 740,000 diffraction points.

에너지가 최소화가 되는 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 구조를 Cache(Fujitsu) 프로그램을 통해 도출하여, 전자밀도에 가장 잘 맞는 최적 구조를 선택한다.The structure of the complex of the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor that minimizes energy is derived through the Cache (Fujitsu) program to select the optimal structure that best matches the electron density.

정밀화 작업 후에 얻어진 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조 모델은 12개의 인간 포스포디에스터라제 4D 활성 도메인을 포함하며, 각각 1개의 아연, 마그네슘, 디메틸아르세네이트(dimethylarsenate), 및 1분자의 자다베린 또는 아데닌을 함유한다.The three-dimensional structural model of the complex in which the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor are bound after the refinement operation comprises 12 human phosphodiesterase 4D active domains, each containing one zinc, magnesium, dimethylarsenate ( dimethylarsenate), and one molecule of jadaberin or adenine.

상기의 인간 포스포디에스터라제 4D-자다베린 및 인간 포스포디에스터라제 4D-아데닌 복합체의 3차원 구조로부터 표 2로 나타내어지는 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 원자 모델을 얻는다.An atomic model of the complex in which the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor are combined as shown in Table 2 from the three-dimensional structure of the human phosphodiesterase 4D-zadaberine and the human phosphodiesterase 4D-adenine complex Get

일반적으로 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위를 예측할 수 있으나, 본 발명에서는 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 구조를 통하여, 실제로 억제제에 결합하는 활성 부위의 입체 구조를 규명하였다.In general, the active site of human phosphodiesterase 4D can be predicted, but in the present invention, through the structure of the complex in which the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor are bound, the three-dimensional structure of the active site that actually binds to the inhibitor is identified. It was.

그 결과 억제제가 결합하는 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위는 F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455 및 S452의 아미노산 잔기를 포함하고, 더욱 구체적으로는 F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455, S452, N418, P419, Y426, D264, T430, L791 및 L943의 아미노산 잔기를 포함하는 것으로 확인되었다.As a result, the active site of phosphodiesterase 4D to which the inhibitor binds is F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, Amino acid residues of S305, C455 and S452, more specifically F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, It was found to contain amino acid residues of S305, C455, S452, N418, P419, Y426, D264, T430, L791 and L943.

본 발명은 상기에서 얻어진 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조를 이용하여 포스포디에스터라제 4D의 기능을 억제하는 활성 조절 물질을 확인하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for identifying an activity modulator that inhibits the function of phosphodiesterase 4D using the three-dimensional structure of the complex in which the phosphodiesterase 4D and the inhibitor are obtained.

인간 포스포디에스터라제 4D에 결합하는 조절 물질을 확인하기 위한 방법은, 1) x-선 결정화법(x-ray crystallogrphy)을 사용하여 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공하는 단계; 2) 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 조절 후보 물질을 제공하는 단계; 및 3) 활성 조절 후보 물질이 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위에 결합하는지 확인하는 단계를 포함한다.Methods for identifying modulators that bind to human phosphodiesterase 4D include: 1) x-ray crystallogrphy using x-ray crystallogrphy 3 of the conjugated conjugate of human phosphodiesterase 4D Providing a dimensional structure; 2) providing a candidate for modulating activity of human phosphodiesterase 4D; And 3) confirming that the activity control candidate substance binds to the active site of human phosphodiesterase 4D.

상기 단계 1)에서는 상기에서 규명된 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공한다. 이 단계에서 표 2의 원자 좌표의 전부 또는 일부를 포함하는 3차원 구조를 제공하는 바, 이는 F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455 및 S452의 아미노산 잔기를 포함하고, 더욱 구체적으로는 F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455, S452, N418, P419, Y426, D264, T430, L791 및 L943의 아미노산 잔기를 포함하는 활성 부위를 갖거나, 표 2의 원자 좌표로 나타내어지는 3차원 구조를 포함한다.Step 1) provides a three-dimensional structure of the complex in which the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor are identified as described above. This step provides a three-dimensional structure that includes all or part of the atomic coordinates of Table 2, which is F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, Amino acid residues of N306, D369, E436, Q440, S305, C455 and S452, more specifically F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, Three-dimensional structure with an active site comprising amino acid residues of N306, D369, E436, Q440, S305, C455, S452, N418, P419, Y426, D264, T430, L791 and L943, or represented by the atomic coordinates of Table 2 It includes.

상기 단계 2)에서는 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 조절 후보 물질을 제공하는데, 본 발명의 후보 물질은 포스포디에스터라제의 활성 부위 구조를 분석하여 이와 유사한 활성 부위를 가지는 단백질들을 하나의 군으로 묶은 후, 이에 대해 선택적으로 결합할 수 있는 화합물들의 라이브러리((주)크리스탈지노믹스, 한국)를 포함한다.In step 2), a candidate substance for controlling activity of human phosphodiesterase 4D is provided. The candidate substance of the present invention analyzes the active site structure of the phosphodiesterase and includes a group of proteins having similar active sites. After enclosing, it includes a library of compounds capable of selectively binding thereto (Crystalgenomics, Korea).

상기 단계 3)에서는 단계 2)에서 제공된 조절 후보 물질이 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위에 결합하는지를 확인하기 위해 가상 스크리닝(Virtual screening,in silicoHTS) 방법을 수행한다(노성구,정밀화학 2001, 59:49(2001)). 즉, 단계 2)에서 제공된 화합물 라이브러리를 아셀리스(Accelys)사의 루디(Ludi) 프로그램을 사용하여 컴퓨터상에서 포스포디에스터라제 4D의 3차원 구조에 대해 고속 결합 시험을 수행한다. 고속 결합 시험의 결과, 루디에서 계산된 에너지 Scoring 또는 자체 개발된 Scoring 방법을 이용하여 리간드의 우선 순위를 정할 수 있다.In step 3), a virtual screening ( in silico HTS) method is performed to confirm whether the control candidate substance provided in step 2) binds to the active site of phosphodiesterase 4D (Sung-gu, Fine Chemical 2001 , 59:49 (2001). That is, the compound library provided in step 2) is subjected to a fast binding test on the three-dimensional structure of phosphodiesterase 4D on a computer using the Ludi program of Acelys. As a result of the fast binding test, ligands can be prioritized using energy scoring or self-developed scoring methods in Rudy.

또한 본 발명은 조절 물질의 약리 효과를 증진시키기 위하여 상기 방법으로 확인된 조절 물질의 변형 등을 통해 인간 포스포디에스터라제 4D에 결합하는 조절 물질을 고안하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method of designing a modulator that binds to human phosphodiesterase 4D through modification of the modulator identified by the above method in order to enhance the pharmacological effect of the modulator.

인간 포스포디에스터라제 4D에 결합하는 조절 물질을 고안하는 방법으로는, 1) x-선 결정화법을 사용하여 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공하는 단계; 2) 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 조절 후보 물질을 제공하는 단계; 및 3) 활성 조절 후보 물질이 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위에 결합하는지 확인하는 단계; 4) 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위에 결합하는 활성 조절 후보 물질을 변형하여 변형된 후보 물질을 제공하는 단계; 및 5) 변형된 후보 물질이 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위에 결합하는지 확인하는 단계를 포함하는 방법이 있다.Methods of devising a modulator that binds to human phosphodiesterase 4D include: 1) providing a three-dimensional structure of a complex in which human phosphodiesterase 4D and an inhibitor are bound using x-ray crystallization; ; 2) providing a candidate for modulating activity of human phosphodiesterase 4D; And 3) confirming that the activity control candidate substance binds to the active site of human phosphodiesterase 4D; 4) modifying an activity modulating candidate that binds to the active site of human phosphodiesterase 4D to provide a modified candidate; And 5) confirming that the modified candidate substance binds to the active site of human phosphodiesterase 4D.

상기 단계 1)에서는 상기에서 규명된 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공한다. 이 단계에서 표 2의 원자 좌표의 전부 또는 일부를 포함하는 3차원 구조를 제공하는 바, 이는 F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455 및 S452의 아미노산 잔기를 포함하고, 더욱 구체적으로는 F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455, S452, N418, P419, Y426, D264, T430, L791 및 L943의 아미노산 잔기를 포함하는 활성 부위를 갖거나, 표 2의 원자 좌표로 나타내어지는 3차원 구조를 포함한다.Step 1) provides a three-dimensional structure of the complex in which the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor are identified as described above. This step provides a three-dimensional structure that includes all or part of the atomic coordinates of Table 2, which is F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, Amino acid residues of N306, D369, E436, Q440, S305, C455 and S452, more specifically F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, Three-dimensional structure with an active site comprising amino acid residues of N306, D369, E436, Q440, S305, C455, S452, N418, P419, Y426, D264, T430, L791 and L943, or represented by the atomic coordinates of Table 2 It includes.

상기 단계 2)에서는 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 조절 후보 물질을 제공하는데, 본 발명의 후보 물질은 포스포디에스터라제의 활성 부위 구조를 분석하여 이와 유사한 활성 부위를 가지는 단백질들을 하나의 군으로 묶은 후, 이에 대해 선택적으로 결합할 수 있는 화합물들의 라이브러리((주)크리스탈지노믹스, 한국)를 포함한다.In step 2), a candidate substance for controlling activity of human phosphodiesterase 4D is provided. The candidate substance of the present invention analyzes the active site structure of the phosphodiesterase and includes a group of proteins having similar active sites. After enclosing, it includes a library of compounds capable of selectively binding thereto (Crystalgenomics, Korea).

상기 단계 3)에서는 단계 2)에서 제공된 후보 물질이 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위에 결합하는지를 확인하기 위해 가상 스크리닝 방법을 수행한다(노성구,정밀화학 2001, 59:49(2001)). 즉, 단계 2)에서 제공된 화합물 라이브러리를 아셀리스사의 루디 프로그램을 사용하여 컴퓨터상에서 포스포디에스터라제 4D의 3차원 구조에 대해 고속 결합 시험을 수행한다. 고속 결합 시험의 결과, 루디에서 계산된 에너지 Scoring 또는 자체 개발된 Scoring 방법을 이용하여 리간드의 우선순위를 정할 수 있다.In step 3), a virtual screening method is performed to confirm whether the candidate substance provided in step 2) binds to the active site of phosphodiesterase 4D (Sung-gu, Fine Chemical 2001 , 59:49 (2001)). That is, the compound library provided in step 2) is subjected to a fast binding test on the three-dimensional structure of the phosphodiesterase 4D on a computer using the Rudy program of Acelis. As a result of the fast binding test, ligands can be prioritized using energy scoring or self-developed scoring methods in Rudy.

상기 단계 4)에서는 활성 조절 후보 물질을 변형시키기 위해 인간 포스포디에스터라제 4D에 결합하는 것으로 확인된 조절 후보 물질의 모핵은 고정시키고 약작용기를 다양한 약작용기 라이브러리들로 치환시킨다. 일반적으로 모핵은 단백질과 결합하기 위한 지지대 역할을, 약작용기는 단백질의 사이드 체인과 직접 상호작용을 하므로 약작용기의 변형을 통해서 약효를 증진시킬 수 있다. 활성 조절 물질을 변형시키기 위하여 아셀리스사의 루디 프로그램 등을 이용할 수 있다.In step 4), the parent nucleus of the regulatory candidate substance identified as binding to human phosphodiesterase 4D to modify the activity regulation candidate substance is immobilized and the weak functional group is substituted with various weak functional group libraries. In general, the mother nucleus acts as a support for binding to the protein, and since the weak functional group directly interacts with the side chain of the protein, the drug may be improved through modification of the weak functional group. In order to modify the activity modulators, Rudy's Rudy program and the like can be used.

상기 단계 5)에서는 단계 4)에서 제공된 변형된 후보 물질이 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위에 결합하는지를 확인하기 위해 상기 단계 3)과 동일한 방법으로 가상 스크리닝을 수행한다.In step 5), virtual screening is performed in the same manner as in step 3) to confirm whether the modified candidate substance provided in step 4) binds to the active site of phosphodiesterase 4D.

인간 포스포디에스터라제 4D에 결합하는 조절 물질을 고안하는 또다른 방법은 1) x-선 결정화법을 사용하여 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공하는 단계; 2) 입체 구조를 가진 조절 물질의 3차원 구조를 생성하는 단계; 및 3) 단계 2)에서 생성된 조절 물질이 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위에 결합하는지를 확인하는 단계를 포함한다.Another method of designing a modulator that binds to human phosphodiesterase 4D is to provide a three-dimensional structure of a complex in which human phosphodiesterase 4D is combined with an inhibitor using x-ray crystallization. ; 2) generating a three-dimensional structure of a modulating material having a three-dimensional structure; And 3) confirming that the modulator produced in step 2) binds to the active site of phosphodiesterase 4D.

상기 단계 1)에서는 상기에서 규명된 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공한다. 이 단계에서 표 2의 원자 좌표의 전부 또는 일부를 포함하는 3차원 구조를 제공하는 바, 이는 F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455 및 S452의 아미노산 잔기를 포함하고, 더욱 구체적으로는 F469,L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455, S452, N418, P419, Y426, D264, T430, L791 및 L943의 아미노산 잔기를 포함하는 활성 부위를 갖거나, 표 2의 원자 좌표로 나타내어지는 3차원 구조를 포함한다.Step 1) provides a three-dimensional structure of the complex in which the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor are identified as described above. This step provides a three-dimensional structure that includes all or part of the atomic coordinates of Table 2, which is F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, Amino acid residues of N306, D369, E436, Q440, S305, C455 and S452, more specifically F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, Three-dimensional structure with an active site comprising amino acid residues of N306, D369, E436, Q440, S305, C455, S452, N418, P419, Y426, D264, T430, L791 and L943, or represented by the atomic coordinates of Table 2 It includes.

상기 단계 2)에서는 조절 물질의 3차원 구조를 생성시키기 위해 이론적인 약물 발견(rational based drug discovery) 방법에 기초한 새로운 모핵 및 이에 대한 다양한 약작용기들을 도입하여 가상 화합물 라이브러리를 제공한다. 활성 조절 물질을 생성시키기 위하여 아셀리스사의 루디 프로그램 등을 이용할 수 있다.Step 2) provides a virtual compound library by introducing a new parent nucleus and various drug functional groups based on a rational drug discovery method to generate a three-dimensional structure of a modulator. Asselis' Rudy program and the like may be used to produce an activity modulator.

상기 단계 3)에서는 단계 2)에서 제공된 조절 물질이 포스포디에스터라제 4D의 활성 부위에 결합하는지를 확인하기 위해 가상 스크리닝 방법을 수행한다(노성구,정밀화학 2001, 59:49(2001)). 즉, 단계 2)에서 제공된 화합물 라이브러리를 아셀리스사의 루디 프로그램을 사용하여 컴퓨터상에서 포스포디에스터라제 4D의 3차원 구조에 대해 고속 결합 시험을 수행하였다. 고속 결합 시험의 결과, 루디에서 계산된 에너지 Scoring 또는 자체 개발된 Scoring 방법을 이용하여 리간드의 우선 순위를 정할 수 있다.In step 3), a virtual screening method is performed to confirm that the modulator provided in step 2) binds to the active site of phosphodiesterase 4D (Sung Goo, Fine Chemical 2001 , 59:49 (2001)). In other words, the compound library provided in step 2) was subjected to a fast binding test on the three-dimensional structure of phosphodiesterase 4D on a computer using the Rudy program of Acelis. As a result of the fast binding test, ligands can be prioritized using energy scoring or self-developed scoring methods in Rudy.

또한, 본 발명은 상기에서 규명된 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조를 컴퓨터로 판독 가능한 데이터로 코딩된 데이터를 저장하는 플로피 디스켓, 하드 디스크 등을 제공한다. 이러한 매체는 F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455 및 S452의 아미노산 잔기를 포함하는, 더욱 구체적으로는F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455, S452, N418, P419, Y426, D264, T430, L791 및 L943의 아미노산 잔기를 포함하는 활성 부위를 가지거나, 표 2의 원자좌표로 나타내어지는 상기 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체 3차원 구조를 저장하는 매체를 포함한다.The present invention also provides a floppy diskette, a hard disk, and the like, which store data encoded by computer readable data of a three-dimensional structure of a complex in which a human phosphodiesterase 4D and an inhibitor combined above are identified. Such media further comprise amino acid residues of F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455 and S452. Specifically, F469, L416, M370, M434, I433, F437, M454, Q466, Y256, W429, M370, S371, E327, N306, D369, E436, Q440, S305, C455, S452, N418, P419, Y426, D264 And a medium having an active site comprising the amino acid residues of T430, L791, and L943, or storing a complex three-dimensional structure in which the human phosphodiesterase 4D and the inhibitor are bound by the atomic coordinates of Table 2. .

또한, 본 발명은 인간 포스포디에스터라제 4D와 억제제가 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공하기 위한 컴퓨터를 제공하는데, 이러한 컴퓨터는 1) 표 2의 원자 좌표 또는 x-선 회절 패턴을 포함하는 기기로 판독 가능한 데이터를 코딩하는 데이터 저장 매체를 포함하는 기기 판독 가능한 데이터 저장 매체; 2) 데이터를 처리하기 위한 저장용 가용 메모리; 3) 가용 메모리 및 데이터 저장 매체와 연결된 중앙 처리 장치(CPU); 및 4) 중앙 처리 장치와 연결된 표시장치를 포함한다.The present invention also provides a computer for providing a three-dimensional structure of a complex in which a human phosphodiesterase 4D and an inhibitor are bound, which computer comprises 1) the atomic coordinates or the x-ray diffraction pattern of Table 2. A device readable data storage medium including a data storage medium for coding data readable by the device; 2) available storage for processing data; 3) a central processing unit (CPU) connected with available memory and data storage media; And 4) a display device connected to the central processing unit.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하고자 한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 위한 예시일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are merely examples for the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

참조예 1. 인간 포스포디에스터라제 4D 유전자의 발현 및 정제Reference Example 1. Expression and Purification of Human Phosphodiesterase 4D Gene

인간 포스포디에스터라제 4D에 대한 서열정보를 근거로 하여 N-말단이 아미노산 183(Threonine)으로부터 C-말단이 아미노산 510(serine)까지의 인간 포스포디에스터라제 4D(GenBank ID U02882) 유전자를 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, 이하 PCR)을 수행하여 합성였다. PCR로부터 얻은 유전자를 GST 퓨전 발현 벡터 pGEX4T3(APbiotech사)에 클로닝하고, 이것을 발현 숙주인 대장균BL21(DE3)(Novagen Inc., 미국)에 형질전환시켰다.Based on the sequence information for human phosphodiesterase 4D, the human phosphodiesterase 4D (GenBank ID U02882) gene from the N-terminal amino acid 183 (Threonine) to the C-terminal amino acid 510 (serine) was selected. Synthesis was performed by polymerase chain reaction (PCR). The gene obtained from the PCR was cloned into the GST fusion expression vector pGEX4T3 (APbiotech) and transformed into the expression host E. coli BL21 (DE3) (Novagen Inc., USA).

형질전환된 대장균 균주를 100 ㎍/㎖의 앰피실린이 함유된 LB 배지에서 12시간 동안 진탕 배양한 후, 1 ㎖ 배양액을 100 ㎖의 LB 배지(100 ㎍/㎖ 앰피실린 포함)에 옮겨 상온에서 배양액의 흡광도가 600nm에서 약 0.5 정도가 될 때 IPTG를 최종농도가 0.4 mM이 되도록 첨가하였다. IPTG 첨가전 및 첨가 12시간 후에 10,000g에서 2분간 원심분리하여 각각 세포 침전물을 수거하였다. 세포 침전물을 50 mM Tris(pH 8.0), 0.4 M NaCl, 5 mM DTT의 용액에 현탁시켜, 0.2 mg/㎖의 리소자임(lysozyme)을 처리한 후, 얼음 위에서 초음파로 세포를 분쇄하였다.The transformed E. coli strains were shaken for 12 hours in LB medium containing 100 μg / ml ampicillin, and then the 1 ml culture was transferred to 100 ml LB medium (including 100 μg / ml ampicillin) at room temperature. When the absorbance was about 0.5 at 600 nm, IPTG was added to a final concentration of 0.4 mM. Cell precipitates were harvested by centrifugation at 10,000 g for 2 minutes before and 12 hours after addition of IPTG. The cell precipitate was suspended in a solution of 50 mM Tris (pH 8.0), 0.4 M NaCl, 5 mM DTT to treat 0.2 mg / ml of lysozyme, and the cells were sonicated on ice on ice.

세포 분쇄액을 원심분리하여 상등액을 Q-세파로즈(sepharose) (APbiotech사) 이온 교환 수지에 통과시키고, 통과액을 글루타티온(glutathione)-세파로스 컬럼 (APbiotech사)에 흡착시켰다. 흡착한 단백질을 5 mM 글루타티온, 50 mM Tris(pH 8.0), 0.4 M NaCl 및 5 mM DTT을 포함하는 용액으로 용출한 후, 0.5%(w/w) 트롬빈을 4℃에서 밤새도록 처리하여 포스포디에스터라제 4D에 퓨전된 GST 단백질을 제거하였다. GST 단백질을 제거한 포스포디에스터라제 4D는 Source Q 음이온 교환 수지 및 Superdex-200 겔 여과 크로마토그래피(APbiotech사)를 사용하여 정제하였다.The cell mill was centrifuged to allow the supernatant to pass through a Q-sepharose (APbiotech) ion exchange resin, and the passthrough was adsorbed onto a glutathione-sepharose column (APbiotech). The adsorbed protein was eluted with a solution containing 5 mM glutathione, 50 mM Tris (pH 8.0), 0.4 M NaCl and 5 mM DTT, followed by treatment with 0.5% (w / w) thrombin overnight at 4 ° C. GST protein fused to diesterase 4D was removed. Phosphodiesterase 4D from which GST protein was removed was purified using Source Q anion exchange resin and Superdex-200 gel filtration chromatography (APbiotech).

실시예 1. 인간 포스포디에스터라제 4D 복합체의 결정화Example 1. Crystallization of Human Phosphodiesterase 4D Complex

참조예에서 얻은 인간 포스포디에스터라제 4D 단백질을 아래와 같은 방울 혼합 증기 평형법에 의해 결정화하였다.The human phosphodiesterase 4D protein obtained in the reference example was crystallized by the following drop mixed vapor equilibrium method.

50 mM Tris(pH 8.0), 0.4 M NaCl 및 5 mM DTT를 포함하는 용액중 인간 포스포디에스터라제 4D의 농도가 70 mg/㎖인 단백질 용액을 제조하였다. 최종 단백질농도는 브랫포드 방법(Current Protocols in Protein Science, 3.4.10)에 의해 결정하였다. 70mg/㎖로 농축된 단백질 용액에 자다베린(Biomol사) 또는 아데닌(sigma aldrich사)을 각각 3 mM 농도로 섞어 주었다.A protein solution was prepared having a concentration of 70 mg / ml of human phosphodiesterase 4D in a solution containing 50 mM Tris, pH 8.0, 0.4 M NaCl and 5 mM DTT. Final protein concentration was determined by the Bradford method (Current Protocols in Protein Science, 3.4.10). In a protein solution concentrated at 70 mg / ml, jadaberin (Biomol) or adenine (sigma aldrich) was mixed at a concentration of 3 mM, respectively.

자다베린 또는 아데닌이 포함된 최종 단백질 용액과 초기 스크린 용액(Hampton research Inc.)으로 단계별로 결정 조건을 검색하였는데, 이를 위해 방울 혼합 증기 평형법을 사용하였다. 2㎕의 단백질 용액과 2㎕의 저수조 용액을 섞은 후 4℃와 22℃에서 2일 내지 20일이 지난 후 결정 생성 여부를 확인하였다. 저수조 용액은 50가지 다른 조성을 가지고 있는 crystal screen I 용액 kit(hampton research 사)를 사용하였다. 0.1 M 카코딜레이트 완충액(pH 6.5)과 11% 폴리에틸렌글리콜 8000 침전제로 이루어진 저수조 용액을 사용한 경우에 x-선 회절 능력이 가장 좋은 결정을 수득하였다.Crystallization conditions were searched step by step with final protein solution containing jadaberin or adenine and initial screen solution (Hampton research Inc.). After mixing 2 µl of protein solution and 2 µl of reservoir solution, crystal formation was performed after 2 to 20 days at 4 ° C and 22 ° C. The reservoir solution was a crystal screen I solution kit (hampton research) with 50 different compositions. Crystals with the best x-ray diffraction capability were obtained when a reservoir solution consisting of 0.1 M cacodylate buffer (pH 6.5) and 11% polyethylene glycol 8000 precipitant was used.

2㎕ 인간 포스포디에스터라제 4D 단백질 용액 및 2㎕ 저수조 용액을 혼합한 방울을 실리콘으로 코팅된 유리 슬라이드 표면에 떨어뜨리고, 이 슬라이드를 저수조 용액 0.5 ㎖가 들어 있는 플레이트 위에 덮어 22℃ 항온 상태에 두었다. 5일 후에 시드(seed) 결정이 생기고 일주일 후에 그 결정의 크기가 0.05 x 0.05 x 0.1 mm로 자랐다.A drop of a mixture of 2 μl human phosphodiesterase 4D protein solution and 2 μL reservoir solution is dropped onto a glass slide coated with silicone, and the slide is placed on a plate containing 0.5 mL of the reservoir solution at a constant temperature of 22 ° C. Put it. Seed crystals formed after 5 days and grown to 0.05 × 0.05 × 0.1 mm in size one week later.

실시예 2. 인간 포스포디에스터라제 4D 복합체 결정의 고속냉각법 실험Example 2 Rapid Cooling Experiment of Human Phosphodiesterase 4D Complex Crystals

실시예 1로부터 수득된 인간 포스포디에스터라제 4D 복합체 결정을 직접 x-선에 노출시 파생되는 문제점을 해결하기 위하여, 다음과 같이 인간 포스포디에스터라제 4D 결정을 고속 질소 냉각법으로 냉각시켰다.In order to solve the problem that the human phosphodiesterase 4D complex crystals obtained from Example 1 were derived upon direct x-ray exposure, human phosphodiesterase 4D crystals were cooled by high-speed nitrogen cooling as follows.

글리세롤, 나트륨 포메이트(sodium formate), 에틸렌 글리콜, 수크로스, 파라톤 N 등의 다양한 냉각 용액을 여러 농도에서 검색한 후, 고속 질소 냉각법의 최적 조건을 얻었다. 30 % 에틸렌글리콜, 0.10 M 카코딜레이트완충액(pH 6.5), 11 % 폴리에틸렌글리콜 8000, 0.6 M 마그네슘 아세테이트 및 5mM DTT를 포함하는 고속냉각용 용액 1㎕ 중 100 x 20 x 20 마이크론 크기의 결정을 1초 이내에 100 % 파라톤 N(hampton research사)에 담갔다가 꺼내면, 인간 포스포디에스터라제 4D 복합체 결정에 아무런 해를 입히지 않으면서 100 K의 액체 질소 스트림에 가장 잘 견디는 것으로 나타났다.Various cooling solutions such as glycerol, sodium formate, ethylene glycol, sucrose, and paratone N were searched at various concentrations, and then optimum conditions of the fast nitrogen cooling method were obtained. 1 x 100 x 20 x 20 micron size crystals in 1 μl of a solution for fast cooling containing 30% ethylene glycol, 0.10 M cacodylate buffer (pH 6.5), 11% polyethylene glycol 8000, 0.6 M magnesium acetate and 5 mM DTT. Soaking in 100% Paraton N (hampton research) within seconds and taking it out showed that it best tolerates 100 K liquid nitrogen stream without harming human phosphodiesterase 4D complex crystals.

냉각 용액에 담근 결정을 약 0.3 ㎜ 나일론 결정 회수 도구(hampton research사)를 이용하여 건져내고 즉시 -150℃ 질소 스트림에 넣어 주었다.Crystals soaked in the cooling solution were harvested using a 0.3 mm nylon crystal recovery tool (hampton research) and immediately placed in a -150 ° C. nitrogen stream.

또한 실험 도중에 자주 발생되는 물링(고속질소 냉각이 완전하지 않는 경우에 물이 얼어서 나타나는 현상) 현상도 보이지 않았다.In addition, the water ring that occurs frequently during the experiment (a phenomenon in which water freezes when high-speed nitrogen cooling is incomplete) was not seen.

실시예 3. 방사광 가속기를 통한 인간 포스포디에스터라제 4D 결정의 x-선 데이터 수집 및 분석Example 3 X-Ray Data Collection and Analysis of Human Phosphodiesterase 4D Crystals Via Radiation Accelerator

상기 실시예 2로부터 수득된 인간 포스포디에스터라제 4D 복합체 결정을 이용하여 코넬 방사선 가속기(Cornell High Energy Synchrotron Source)의 A1 빔 라인에서 데이터를 모으는 실험을 수행하였다. 결정의 데이터 한계는 2.8 Å이고, 데이터는 DENZO 및 SCALEPACK(Otwinowski, Z. and Minor, W.Methods Enzymol., 276, 461-472(1997))로 처리하였다. 결정 데이터 수집 및 정밀화 결과를 표 1에 나타내었다.Using the human phosphodiesterase 4D complex crystal obtained in Example 2 was performed to collect data in the A1 beam line of the Cornell High Energy Synchrotron Source. The data limit of the crystal was 2.8 mm 3, and the data was treated with DENZO and SCALEPACK (Otwinowski, Z. and Minor, W. Methods Enzymol., 276 , 461-472 (1997)). The results of crystal data collection and refinement are shown in Table 1.

실시예 4. 인간 포스포디에스터라제 4D 복합체 결정의 x-선 데이터 해석 및 구조 계산Example 4 X-ray Data Interpretation and Structure Calculation of Human Phosphodiesterase 4D Complex Crystals

인간 포스포디에스터라제 4D-자다베린 또는 인간 포스포디에스터라제 4D-아데닌 복합체의 구조는 인간 포스포디에스터라제 4B 효소 활성 도메인 구조를 바탕(Xu, R.X. et al.,Science,288:1822-1825(2000))으로 해서 구조 치환법을 통하여 규명하였다. 구조 치환법 계산은 AmoRe 프로그램(Navaza, J.,Acta Crystallogr., A50:157-163(1994))을 사용하여 수행하였다. 포스포디에스터라제 4B 효소 활성 도메인 구조를 검색도구로 이용하여 새로운 결정환경에서의 단백질위치와 방향을 결정하였다. 사용한 회절 데이터는 3.5Å의 해상도를 가지고 있었다.The structure of human phosphodiesterase 4D-zadaberin or human phosphodiesterase 4D-adenine complex is based on the structure of human phosphodiesterase 4B enzyme active domain (Xu, RX et al., Science, 288: 1822 -1825 (2000)) through the structural substitution method. Structural substitution method calculations were performed using the AmoRe program (Navaza, J., Acta Crystallogr. , A50: 157-163 (1994)). Phosphodiesterase 4B enzyme active domain structure was used as a search tool to determine the protein position and orientation in the new crystal environment. The diffraction data used had a resolution of 3.5 Hz.

구조의 정밀화 작업은 CNS 프로그램(Brunger, AT. et al.,Acta Cryst., D54, 905-921(1998))을 사용하였다. 첫 번째 정밀화 작업은 CNS program의 simulated annealing 방법을 이용하였는데, 시뮬레이션 시작 온도는 1500℃이었으며, 각 단계에서 100℃씩 냉각하여 25℃까지 냉각시켜 수행하였는데, R factor는 48 %에서 27 %로 떨어졌고, 12배의 NCS(non-crystallographic symmetry) 평균화 작업 후에 강하고 연속적인 전자 밀도가 금속결합 부위 근처에서 발견되었다.Structural refinement was done using the CNS program (Brunger, AT. Et al., Acta Cryst., D54 , 905-921 (1998)). The first refinement was performed using the simulated annealing method of the CNS program. The simulation start temperature was 1500 ° C, and each step was performed by cooling 100 ° C to 25 ° C, and the R factor dropped from 48% to 27%. After 12 times of non-crystallographic symmetry averaging, a strong and continuous electron density was found near the metal bond site.

최종 정밀화 작업은 20개의 낮은 에너지 자다베린 구조를 Cache(Fujitsu) 프로그램을 사용하여 도출하고, 전자 밀도에 가장 잘 맞는 최적 구조를 선택하여 수행하였다(도 5 참조). 최종 정밀화 작업후에 얻은 최종 모델(단백질에 있는 수소를 제외한 모든 원자의 상대적인 삼차원 위치) 12개의 인간 포스포디에스터라제 4D 효소 활성 도메인을 포함하며, 각 단백질에 1개의 아연, 마그네슘, 디메틸아르세네이트 (카코딜레이트) (dimethylarsenate(cacodylate)), 및 1 분자의 자다베린 또는 아데닌을 함유하고 있었다.The final refinement was performed by using 20 cached low energy jadaberin structures using the Cache (Fujitsu) program and selecting the optimal structure that best fits the electron density (see FIG. 5). Final model obtained after the final refinement (relative three-dimensional position of all atoms except hydrogen in the protein) contains twelve human phosphodiesterase 4D enzymatic active domains, one zinc, magnesium, dimethylarsenate for each protein (Cacodylate) (dimethylarsenate (cacodylate)), and one molecule of jadaberine or adenine.

본 발명의 방법에 의하면 x-선 분석이 용이하고, 결정화도가 우수한 인간 포스포디에스터라제 4D 복합체 결정을 수득할 수 있으며, 이 결정의 3차원 구조를 규명하여 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성을 조절하는 물질을 확인 및 디자인함으로써 인간 포스포디에스터라제 4D에 관련된 천식 및 면역성 질환 관련 치료제 개발과 연구에 효과적으로 이용될 수 있다. According to the method of the present invention, it is possible to obtain human phosphodiesterase 4D complex crystals which are easy to x-ray analysis and excellent in crystallinity, and the three-dimensional structure of the crystals is identified to determine the activity of human phosphodiesterase 4D. By identifying and designing a substance that modulates the protein, it can be effectively used for the development and research of therapeutic agents related to asthma and immune diseases related to human phosphodiesterase 4D.

Claims (18)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 인간 포스포디에스터라제 4D와 아데닌이 결합된 복합체의 3차원 구조를 나타내는 원자 모델을 저장하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체.A computer readable medium storing an atomic model representing the three-dimensional structure of a complex of human phosphodiesterase 4D and adenine bound. 삭제delete 삭제delete 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 인간 포스포디에스터라제 4D와 아데닌이 결합된 복합체의 3차원 구조가 표 2(b)의 원자 좌표로 나타내어짐을 특징으로 하는 매체.A medium characterized in that the three-dimensional structure of the complex in which human phosphodiesterase 4D and adenine are bound is represented by the atomic coordinates of Table 2 (b). 하기 단계를 포함하는, 인간 포스포디에스터라제 4D에 결합하는 조절 물질을 확인하는 방법:A method of identifying a modulator that binds to human phosphodiesterase 4D, comprising the following steps: 1) x-선 결정화법(x-ray crystallogrphy)을 사용하여 인간 포스포디에스터라제 4D와 아데닌이 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공하는 단계;1) using x-ray crystallogrphy to provide a three-dimensional structure of the complex of human phosphodiesterase 4D and adenine; 2) 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 조절 후보 물질을 제공하는 단계; 및2) providing a candidate for modulating activity of human phosphodiesterase 4D; And 3) 활성 조절 후보 물질이 인간 포스포디에스터라제 4D의 아데닌 결합 부위에 결합하는지 확인하는 단계.3) confirming that the activity regulation candidate binds to the adenine binding site of human phosphodiesterase 4D. 하기 단계를 포함하는, 인간 포스포디에스터라제 4D에 결합하는 조절 물질을 고안하는 방법:A method of designing a modulator that binds to human phosphodiesterase 4D, comprising the following steps: 1) x-선 결정화법을 사용하여 인간 포스포디에스터라제 4D와 아데닌이 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공하는 단계;1) using x-ray crystallization to provide a three-dimensional structure of the complex of human phosphodiesterase 4D and adenine; 2) 입체 구조를 가진 조절 물질의 3차원 구조를 생성하는 단계; 및2) generating a three-dimensional structure of a modulating material having a three-dimensional structure; And 3) 단계 2)에서 생성된 조절 물질이 포스포디에스터라제 4D의 아데닌 결합 부위에 결합하는지를 확인하는 단계.3) confirming that the modulator produced in step 2) binds to the adenine binding site of phosphodiesterase 4D. 하기 단계를 포함하는, 인간 포스포디에스터라제 4D에 결합하는 조절 물질을 고안하는 방법:A method of designing a modulator that binds to human phosphodiesterase 4D, comprising the following steps: 1) x-선 결정화법을 사용하여 인간 포스포디에스터라제 4D와 아데닌이 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공하는 단계;1) using x-ray crystallization to provide a three-dimensional structure of the complex of human phosphodiesterase 4D and adenine; 2) 인간 포스포디에스터라제 4D의 활성 조절 후보 물질을 제공하는 단계;2) providing a candidate for modulating activity of human phosphodiesterase 4D; 3) 활성 조절 후보 물질이 인간 포스포디에스터라제 4D의 아데닌 결합 부위에 결합하는지 확인하는 단계;3) confirming that the activity control candidate binds to the adenine binding site of human phosphodiesterase 4D; 4) 인간 포스포디에스터라제 4D의 아데닌 결합 부위에 결합하는 활성 조절 후보 물질을 변형하여 변형된 후보 물질을 제공하는 단계; 및4) modifying an activity regulation candidate that binds to the adenine binding site of human phosphodiesterase 4D to provide a modified candidate; And 5) 변형된 후보 물질이 인간 포스포디에스터라제 4D의 아데닌 결합 부위에 결합하는지 확인하는 단계.5) Confirming that the modified candidate substance binds to the adenine binding site of human phosphodiesterase 4D. 삭제delete 제 13 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 13 to 15, 단계 1)에서 인간 포스포디에스터라제 4D와 아데닌이 결합된 복합체의 3차원 구조가 표 2(b)의 원자 좌표로 나타내어지는 방법.Wherein in step 1) the three-dimensional structure of the complex in which the human phosphodiesterase 4D and adenine are bound is represented by the atomic coordinates of Table 2 (b). 하기 장치를 포함하는, 인간 포스포디에스터라제 4D와 아데닌이 결합된 복합체의 3차원 구조를 제공하기 위한 컴퓨터:A computer for providing a three-dimensional structure of a complex in which human phosphodiesterase 4D and adenine are bound, comprising the following device: 1) 표 2(b)의 원자 좌표 또는 x-선 회절 패턴을 포함하는 기기로 판독 가능한 데이터를 코딩하는 데이터 저장 매체를 포함하는 기기 판독 가능한 데이터 저장 매체;1) a device readable data storage medium comprising a data storage medium for coding data readable by a device comprising atomic coordinates or x-ray diffraction patterns of Table 2 (b); 2) 데이터를 처리하기 위한 저장용 가용 메모리;2) available storage for processing data; 3) 가용 메모리 및 데이터 저장 매체와 연결된 중앙 처리 장치(CPU); 및3) a central processing unit (CPU) connected with available memory and data storage media; And 4) 중앙 처리 장치와 연결된 표시장치.4) Display connected to the central processing unit.
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