IMPLEMENTAZIONE DI UN NUOVO PROTOCOLLO IN SILICO PER L’INDIVIDUAZIONE DI POTENZIALI DEGRADATORI PROTAC: CK1δ COME CASO DI STUDIO

Most therapeutic approaches currently in use are based on "occupancy-driven pharmacology," a pharmacological model that relies on the use of small molecules which exert their action by occupying a topological site on the biological target of interest. This paradigm, however, is not without limitations that hinder its applicability in certain cases. For instance, some target proteins lack suitable interaction sites to establish an effective binding with a ligand, or the binding may fail to trigger modulation of the target's activity. Considering these challenges, it is crucial to identify alternative pharmacological mechanisms capable of overcoming the shortcomings of occupancy-driven pharmacology, especially for the treatment of diseases that currently lack effective therapies. Within this framework, "event-driven pharmacology" emerges as a promising approach, focusing on the activation of cellular events that either increase or decrease the presence of the protein of interest. Among these methods, Targeted Protein Degradation (TPD) stands out, a strategy that induces the degradation of the target protein via the ubiquitin-proteasome system. The most representative class of compounds acting through TPD is that of PROTACs (PROteolysis Targeting Chimeras), heterobifunctional molecules that enable or promote the interaction between the protein of interest and an E3 ligase. For PROTACs, the drug discovery and drug optimization phases in preclinical settings are currently based on trial-and-error approaches. In silico protocols developed for small molecule inhibitors (SMIs) are not applicable in this context, due to the different nature of these molecules. By utilizing protein-protein docking models to predict binary and ternary structures, this thesis project aims to define a method for the generation of PROTAC libraries and the subsequent implementation of a virtual screening protocol, which involves the selection and prioritization of the most promising molecules through a rational approach. This protocol will be applied to the identification of potential selective degraders of CK1δ, a protein implicated in neoplastic and neurodegenerative diseases, for which SMIs discovered to date have yet to demonstrate optimal therapeutic utility.

La maggioranza degli approcci terapeutici tuttora in uso si fonda sull’ “occupancy-driven pharmacology”, un modello farmacologico basato sull’utilizzo di small molecules che esplicano la loro azione mediante l’occupazione di un sito topologico del bersaglio biologico d’interesse. Questo paradigma, tuttavia, non è esente da limiti che ne precludono l’applicabilità nel contesto di alcune casistiche quali, per esempio, la mancanza in alcune proteine target di siti d’interazione adatti ad instaurare un legame efficace con un ligando, oppure l’impossibilità di innescare una modulazione dell’attività del bersaglio a seguito del binding. Alla luce di questo, risulta essere di vitale importanza l’individuazione di meccanismi farmacologici alternativi in grado di sopperire alle lacune dimostrate dalla occupancy-driven pharmacology, specie per quanto concerne il trattamento di patologie a oggi prive di terapie efficaci. In tale contesto si colloca la “event-driven pharmacology”, un insieme di metodiche che vertono sull’attivazione di eventi cellulari che portano ad un aumento o diminuzione della presenza della proteina d’interesse: tra queste, spicca la Targeted Protein Degradation (TPD), modalità che consiste nell’induzione della proteina bersaglio alla degradazione mediante il sistema ubiquitina-proteasoma. La classe di composti più rappresentativa che agisce mediante TPD è quella dei degradatori PROTAC “PROteolysis TArgeting Chimera”, molecole eterobifunzionali che permettono o incentivano l’interazione tra la proteina d’interesse e una E3 ligasi. Per questi ultimi, le fasi di drug discovery e drug optimization in sede preclinica si fondano al momento su approcci di tipo trial and error, mentre i protocolli disponibili in silico - sviluppati e utilizzati per inibitori a basso peso molecolare (small molecular inhibitors, SMIs) - non sono applicabili in questo contesto, data la diversa natura delle molecole in questione. Mediante l’utilizzo di modelli di docking proteina-proteina per la predizione di strutture binarie e ternarie, tale progetto di tesi mira a definire un metodo per la generazione di librerie di PROTAC e la successiva implementazione di un protocollo di virtual screening, ovvero la selezione e la prioritizzazione delle molecole più promettenti attraverso un approccio razionale. Tale protocollo viene applicato nell’identificazione di potenziali degradatori selettivi di CK1δ, una proteina implicata in patologie a carattere neoplastico e neurodegenerativo, per la quale i SMIs sino a ora scoperti non sono ancora ottimali in termini di utilità terapeutica.