Cysteine-Focused Covalent (Cysteine-타겟 공유결합 약물)란?

Cysteine-Focused Covalent 전략은 약물이 단백질 내 Cysteine (시스테인) 잔기와 공유결합을 형성하도록 설계하는 약물 개발 접근 방식입니다. 이는 표적 단백질의 기능을 강력하고 선택적으로 억제하는 효과를 가지며, 특히 표적 단백질의 Cysteine이 활성 부위에 위치하는 경우 효과적으로 작용합니다.

 

🔬 특징 (Key Features)

 

1. 높은 선택성 (High Selectivity)

• Cysteine 잔기는 단백질 내에서 상대적으로 희귀한 아미노산(약 2%)이므로, 특정 단백질을 정밀하게 타겟팅할 수 있음.

• 비선택적 공유결합 약물보다 부작용을 줄일 수 있음.

 

2. 공유결합 형성 (Covalent Bonding)

• 약물이 Cysteine의 티올(-SH) 그룹과 반응하여 불가역적으로 결합함.

• 일단 결합하면 약물이 해리되지 않으므로 장기간 효과가 지속됨.

 

3. 고효율 저용량 가능 (High Potency & Low Dose)

• 공유결합을 통해 강한 억제력을 발휘하기 때문에 낮은 농도에서도 효과적임.

 

4. 저항성 극복 (Overcoming Resistance)

• 기존 저분자 저해제(small molecule inhibitors)에 내성을 가진 변이 단백질에도 적용 가능.

• 예: KRAS G12C 변이 치료제 (MRTX-1719, Sotorasib).

 

🧪 대표적인 응용 (Applications)

 

1️⃣ 항암제 (Cancer Therapy)

• 특정 암세포에서 발견되는 KRAS G12C 변이를 표적으로 하는 치료제 개발.

• KRAS G12C 변이 종양에서 활성 Cysteine을 타겟하여 불가역적 억제제 개발.

• ✅ Sotorasib (AMG 510) & Adagrasib (MRTX849): KRAS G12C를 타겟하는 최초의 승인된 공유결합 저해제.

 

2️⃣ 단백질 분해 유도제 (Targeted Protein Degradation, PROTACs)

• Cysteine 공유결합 기전이 PROTAC과 결합하여 단백질의 선택적 분해를 유도하는 연구가 진행 중.

 

3️⃣ 면역 조절 및 염증성 질환 (Immunotherapy & Inflammation)

• 공유결합 억제제는 특정 면역 신호 단백질을 타겟팅하여 면역 반응을 조절하는 데 활용됨.

• 예: BTK (Bruton’s Tyrosine Kinase) 공유결합 저해제 Ibrutinib (이브루티닙).

 

⚗️ 대표 물질군 (Compounds)

 

1. Acrylamides

 

- 특징 (Characteristics)

 

1. 화학적 구조 및 성질

• 화학식: C3H5NO (기본 구조 기준)

• 구조: α,β-불포화 카보닐 화합물(Enone)과 아미드(-CONH2) 기능기를 포함

• 반응성: Michael Acceptor로 작용하여 친핵성 분자(특히 Cysteine)와 공유결합 가능

• 극성: 수소 결합을 형성할 수 있어 물과 유기 용매에 적절히 용해됨

• 고온에서 중합 가능: Acrylamide 단량체는 라디칼 중합을 통해 폴리머 형성

 

2. 생물학적 및 화학적 특성

• 단백질 Cysteine과 공유결합 가능 → Cysteine-Targeting Covalent Inhibitor 설계에 활용

• 생체 내 신경독성 가능성: 고농도에서 신경계에 영향을 줄 수 있음

• 폴리아크릴아마이드 겔의 기본 단위: 전기영동(Protein Gel Electrophoresis) 등에 활용

 

- 용도 (Applications)

 

✅ 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide, PAM) 생산

• 아크릴아마이드는 폴리아크릴아마이드의 전구체로 사용됨

• 폴리아크릴아마이드는 수처리제, 농업용 토양 안정제, 섬유 공업, 종이 제조 공정 등에 활용

 

✅ 전기영동(Electrophoresis) 용액

• 단백질 분석(PAGE, Polyacrylamide Gel Electrophoresis)에서 겔 형성 물질로 사용됨

• DNA, RNA 분석을 위한 겔 전기영동(Gel Electrophoresis) 과정에 필수

 

✅ 폐수 처리 및 정수 산업

• 폴리아크릴아마이드는 응집제(coagulant)로 활용

• 산업 폐수 처리 및 음용수 정화에 중요한 역할

 

✅ 광업 및 석유 채굴

• 시추 유체(Drilling Fluid)에서 점성 조절제로 사용됨

• 오일 회수(EOR, Enhanced Oil Recovery) 과정에서 활용

 

✅ 종이 및 섬유 산업

• 종이 제조 시 습윤강도 조절제

• 섬유 가공 공정에서 정전기 방지제 및 강화제 역할

 

✅ 식품 및 환경 분야 (유해성 관련)

• 감자튀김, 커피, 빵 등 고온 조리 시 생성될 수 있음 (식품 내 오염물질로 작용)

• 국제 보건 기구(WHO) 및 식품 관련 기관에서 노출 기준을 규제

 

- 연구 사례 (Research Applications)

 

1. 생명과학 및 의약 연구

 

📌 단백질 및 유전자 분석

• SDS-PAGE: 단백질 분리를 위한 겔 전기영동(Polyacrylamide Gel Electrophoresis, PAGE) 기술에 사용됨.

• DNA/RNA 전기영동: 뉴클레오타이드 분석을 위한 고해상도 전기영동 연구.

• 단백질-단백질 상호작용 연구: 단백질 분리 후 Mass Spectrometry (MS) 분석을 통한 바이오마커 연구에 기여.

 

📌 신경독성 연구

• 아크릴아마이드 노출에 따른 신경세포 손상 연구

• 동물 실험에서 고농도 아크릴아마이드가 신경 독성을 유발하고 신경세포 사멸(apoptosis)을 증가시키는 것으로 보고됨.

• 예: "Neurotoxicity of Acrylamide in Rat Brain: Biochemical and Histopathological Study" (국제 신경독성 저널).

• 아크릴아마이드의 인간 신경계 영향 평가

• 저농도 장기 노출이 신경계 질환(예: 파킨슨병, 알츠하이머병)의 위험을 높일 가능성이 있음.

 

2. 환경 및 산업 연구

 

📌 폐수 정화 및 응집제 연구

• 아크릴아마이드 기반 고분자의 응집 효과 연구

• 산업 폐수 및 정수 처리에서 폴리아크릴아마이드(PAM)의 효과적 응집 성능 연구.

• 연구 논문: "Polyacrylamide as a Flocculant in Water Treatment: Performance and Environmental Impact".

 

📌 환경 내 아크릴아마이드 오염 및 제거 기술 연구

• 농업 및 식수 내 아크릴아마이드 검출 연구

• HPLC-MS/MS 및 GC-MS 기법을 활용한 환경 내 아크릴아마이드 농도 측정 연구.

• 연구 사례: "Determination of Acrylamide Levels in Drinking Water and Food Products".

• 생물학적 제거 연구

• 특정 미생물을 활용하여 아크릴아마이드를 분해하는 바이오리메디에이션 연구 진행 중.

 

3. 식품과 독성 연구

 

📌 식품 내 아크릴아마이드 생성 기작 연구

• 감자튀김, 빵, 커피 등의 고온 가열 과정에서 아크릴아마이드가 생성되는 Maillard 반응 연구.

• 연구 논문: "Acrylamide Formation in Fried and Baked Foods: Mechanisms and Reduction Strategies".

 

📌 아크릴아마이드 저감화 기술 연구

• 식품 제조 과정에서 아크릴아마이드 저감 전략 연구

• 아스파라진(Asparagine) 효소 분해 기법을 활용한 아크릴아마이드 감소 연구.

• 저온 조리법 및 pH 조절을 통한 아크릴아마이드 생성을 줄이는 연구.

• 아크릴아마이드 흡수 억제 연구

• 식이섬유 및 항산화제가 아크릴아마이드 흡수를 저해하는 연구.

 

📌 인체 독성 및 발암성 연구

• 동물 실험에서 아크릴아마이드 섭취와 암 발생 연관성 연구

• 연구 사례: "Carcinogenicity of Acrylamide: Evidence from Rodent Models".

• 아크릴아마이드의 유전자 변이 유발 가능성 연구

• 유전자 돌연변이와 DNA 손상을 유도하는 메커니즘 연구.

 

4. 신소재 및 공정 연구

 

📌 아크릴아마이드 기반 스마트 하이드로젤 연구

• 온도 및 pH 감응형 폴리아크릴아마이드(PAM) 하이드로젤 개발 연구.

• 연구 사례: "Synthesis of Polyacrylamide-Based Hydrogels for Biomedical Applications".

 

📌 고분자 재료 및 전자산업 연구

• 전도성 고분자 합성 연구

• 전자 및 센서 산업에서 사용 가능한 도핑된 폴리아크릴아마이드 개발 연구.

 

- 아크릴아마이드 기반 Cysteine-Focused Covalent 물질

 

✅ EGFR Covalent Inhibitors (예: Afatinib, Osimertinib)

• EGFR 돌연변이(T790M 변이 포함)를 표적

• 아크릴아미드가 활성 부위의 Cysteine-797 (Cys797) 과 공유결합을 형성

• Enamine store 대표 제품 Link

      - Afatinib

      - Osimertinib

 

✅ BTK Inhibitors (예: Ibrutinib, Acalabrutinib)

• Bruton's Tyrosine Kinase (BTK)의 Cysteine-481 (Cys481) 과 공유결합

• Enamine store 대표 제품 Link

      - Ibrutinib

      - Acalabrutinib

 

✅ KRAS G12C Inhibitors (예: Sotorasib, Adagrasib)

• KRAS 단백질의 Cysteine-12 (Cys12) 을 직접 표적

• Enamine store 대표 제품 Link

      - Adagrasib

• Enamine 미공급 제품 씨케이테크놀러지 제휴사 Link

      - Sotorasib [BLD pharm]

 

✅ Covalent CDK7 Inhibitors (예: THZ1)

• Cyclin-Dependent Kinase 7 (CDK7)의 활성 부위 Cysteine 잔기와 반응

• Enamine store 대표 제품 Link

      - THZ1

 

✅ Covalent Proteasome Inhibitors (예: Carfilzomib)

• 20S Proteasome의 Cysteine Thr1 α-rings 와 공유결합

• Enamine store 대표 제품 Link

      - Carfilzomib

 

 

2. Butynamides

 

특징 (Characteristics)

• 알카인(Alkyne) 구조: 삼중결합(-C≡C-)을 포함하여 높은 반응성을 가짐.

• 아마이드(Amide) 작용기: 수소 결합을 형성할 수 있어 생물학적 활성이 높을 가능성이 있음.

• 지용성 가능성: 탄소 사슬과 알카인 결합이 있어 상대적으로 소수성(lipophilic) 성질을 가질 가능성이 큼.

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용도 (Applications)

 

✅ 의약화학 (Medicinal Chemistry)

• Butynamides는 항암제, 항균제 및 효소 저해제 등의 연구에 활용될 수 있음.

• 특정 단백질 표적을 저해하는 **Covalent Inhibitor (공유결합 저해제)**로 설계될 가능성이 있음.

 

✅ 유기합성 (Organic Synthesis)

• 삼중결합이 포함된 구조는 촉매 반응, 결합 형성 반응, 특히 클릭 케미스트리(Click Chemistry) 등에 응용될 수 있음.

 

✅ 소재 화학 (Material Science)

• 특수한 기능성 분자로 전자재료, 기능성 고분자 등의 개발에 응용될 수 있음.

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- 연구 사례 (Research Applications)

 

📌 Pelitinib (EKB-569)의 EGFR 저해 연구

• Butynamide를 포함한 비소세포폐암(NSCLC) 치료 후보

• EGFR 돌연변이를 표적하여 효과적인 치료 전략 연구

 

📌 BTK 저해제 연구에서 Butynamide Warhead 사용

• 기존 공유결합 BTK 저해제와 비교하여 반응성과 선택성 증가

 

📌 KRAS G12C 억제제 신약 개발

• KRAS 단백질과 고반응성 공유결합 형성 연구 진행

• 기존 아크릴아마이드 기반 KRAS 저해제와 차별화된 선택성 연구

 

📌 차세대 CDK7 저해제에서 Butynamide 활용

• 기존 저해제 대비 약물 효능 및 선택성 개선 연구 진행 중

 

📌 Covalent Drug Design

• Butynamide 유도체는 KRAS G12C 저해제 같은 공유결합 약물 후보로 연구될 수 있음.

• Acrylamide 기반 저해제와 유사한 방식으로 설계될 가능성이 있음.

 

📌 알카인-아마이드 기반 생리활성 분자 연구

• 항암제 또는 단백질 저해제 개발 연구에 활용 가능.

• 삼중결합을 포함하는 생체분자 탐색 도구로 활용될 수 있음.

 

📌 유기 합성 반응 연구

• 알카인 화합물을 이용한 촉매 반응 연구에서 활용될 가능성이 높음.

• 금속 촉매 반응(Pd, Cu 등)에서 다양한 결합 형성 반응에 응용될 수 있음.

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- Butynamide 기반 Cysteine-Focused Covalent 물질

 

✅ EGFR Covalent Inhibitors (예: Pelitinib)

• Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) T790M 돌연변이 표적

• 활성 부위의 Cysteine-797 (Cys797)과 공유결합하여 지속적인 저해 효과

• 비소세포폐암(NSCLC) 치료 후보 물질로 연구됨

• Enamine 미공급 제품 씨케이테크놀러지 제휴사 Link

      - Pelitinib [EKB-569] (BLDpharm)

 

 

✅BTK Covalent Inhibitors (예: Branebrutinib)

• Bruton's Tyrosine Kinase (BTK)의 Cysteine-481 (Cys481)과 공유결합

• 자가면역질환 및 B세포 림프종 치료 연구

• Ibrutinib 및 Acalabrutinib과 유사한 메커니즘

• Enamine store 대표 제품 Link

     - Branebrutinib

 

 

✅KRAS G12C Covalent Inhibitors (예: AMG-510)

• KRAS G12C 돌연변이를 선택적으로 억제

• KRAS 단백질의 Cysteine-12 (Cys12)와 공유결합하여 암세포 증식 억제

• Sotorasib 및 Adagrasib과 같은 기존 KRAS 저해제와 병용 가능성 연구

• Enamine store 대표 제품 Link

     - AMG-510

 

 

✅Covalent Proteasome Inhibitors (예: Bortezomib)

• 20S Proteasome의 Cysteine Thr1 α-rings와 공유결합

• 프로테아좀 억제를 통한 다발성 골수종 치료제 연구

• Enamine store 대표 제품 Link

      - Bortezomib

 

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3. 4-(Dimethylamino)but-2-enamides

 

특징 (Characteristics)

4-(Dimethylamino)but-2-enamides는 α,β-불포화 아미드(Enamide) 구조를 가지며, 주로 Michael Acceptor 특성을 이용한 공유결합(Covalent Bonding) 형성 반응에 활용됩니다.

이 화합물은 Cysteine-Targeting Covalent Warhead로서 단백질 활성 부위에 존재하는 Cysteine과 선택적으로 결합하여 특정 단백질의 기능을 억제할 수 있습니다.

 

🔹 화학적 특성

• 화학식: C6H12N2O (대표적인 기본 구조 기준)

• 기능기: Dimethylamino (-N(CH3)2) 및 Enamide (-CONH2) 포함

• Michael Acceptor 특성으로 친핵성 잔기(특히 Cysteine)와 반응

• 고유한 전자적 성질로 반응성을 조절 가능

 

🔹 공유결합 저해제(Covalent Inhibitor) 디자인에서 활용됨

• 비가역적(Intrinsic Covalent) 또는 가역적(Reversible Covalent) 공유결합 형성 가능

• 단백질 표적화 약물(Targeted Covalent Drugs) 연구에서 중요한 Warhead

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용도 (Applications)

 

4-(Dimethylamino)but-2-enamides는 주로 Cysteine-Targeting Covalent Inhibitor 개발 및 화학적 생물학 연구에서 활용됩니다.

 

🔹 1) BTK (Bruton's Tyrosine Kinase) 저해제 개발

• Branebrutinib: BTK의 Cysteine-481 (Cys481)과 공유결합하여 신호 전달 억제

• 자가면역 질환 (RA, 루푸스 등) 및 혈액암 치료제 연구에 적용

 

🔹 2) KRAS G12C 공유결합 저해제 연구

• Sotorasib, Adagrasib 유사 구조 화합물

• KRAS 단백질의 Cysteine-12 (Cys12)와 선택적 공유결합

• 비소세포폐암(NSCLC), 췌장암 등에서 효과 연구

 

🔹 3) CDK 저해제 및 표적 치료제 연구

• THZ1 및 관련 화합물이 Cyclin-Dependent Kinase 7 (CDK7)의 Cysteine과 공유결합

• 암세포 주기 조절을 차단하는 항암제 개발에 활용

 

🔹 4) Proteasome 저해제 연구

• Carfilzomib 유사 화합물이 Proteasome의 Thr1 α-rings과 공유결합

• 다발성 골수종 치료제 연구에 응용

 

연구 사례 (Research Examples)

 

1) 공유결합 저해제(Covalent Inhibitor) 디자인 연구

• 4-(Dimethylamino)but-2-enamide 유도체는 Michael Acceptor로서 Cysteine-Focused Covalent Inhibitor 설계에 활용

• BTK, KRAS, CDK, Proteasome 등 주요 단백질 표적 저해제 연구 진행

• 연구 논문 예시:

• “Covalent Inhibitor Design Targeting Cysteine Residues in Kinases” (ACS Med. Chem. Lett.)

 

2) 암 치료제 연구

• KRAS G12C 저해제 개발 연구에서 새로운 Warhead로 적용

• “Novel Covalent Modifiers for Targeting Oncogenic KRAS Mutants” (J. Med. Chem.)

 

3) 단백질-리간드 상호작용 연구

• 4-(Dimethylamino)but-2-enamide 기반 공유결합 형성 메커니즘 연구

• “Chemical Biology Approaches to Target Cysteine Residues in Therapeutic Proteins” (Nature Chem. Biol.)