Phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K) is an important target in cancer due to the deregulation of the PI3K/ Akt signaling pathway in a wide variety of tumors. A series of thieno[3,2-d]pyrimidine derivatives were prepared and evaluated as inhibitors of PI3 kinase p110alpha. The synthesis, biological activity, and further profiling of these compounds are described. This work resulted in the discovery of 17, GDC-0941, which is a potent, selective, orally bioavailable inhibitor of PI3K and is currently being evaluated in human clinical trials for the treatment of cancer.

Vascular endothelial growth factor (VEGF) is a homodimeric hormone that induces proliferation of endothelial cells through binding to the kinase domain receptor and the Fms-like tyrosine kinase receptor (Flt-1), the extracellular portions of which consist of seven immunoglobulin domains. We show that the second and third domains of Flt-1 are necessary and sufficient for binding VEGF with near-native affinity, and that domain 2 alone binds only 60-fold less tightly than wild-type. The crystal structure of the complex between VEGF and the second domain of Flt-1 shows domain 2 in a predominantly hydrophobic interaction with the "poles" of the VEGF dimer. Based on this structure and on mutational data, we present a model of VEGF bound to the first four domains of Flt-1.

The Fab portion of a humanized antibody (Fab-12; IgG form known as rhuMAb VEGF) to vascular endothelial growth factor (VEGF) has been affinity-matured through complementarity-determining region (CDR) mutation, followed by affinity selection using monovalent phage display. After stringent binding selections at 37 degrees C, with dissociation (off-rate) selection periods of several days, high affinity variants were isolated from CDR-H1, H2, and H3 libraries. Mutations were combined to obtain cumulatively tighter-binding variants. The final variant identified here, Y0317, contained six mutations from the parental antibody. In vitro cell-based assays show that four mutations yielded an improvement of about 100-fold in potency for inhibition of VEGF-dependent cell proliferation by this variant, consistent with the equilibrium binding constant determined from kinetics experiments at 37 degrees C. Using X-ray crystallography, we determined a high-resolution structure of the complex between VEGF and the affinity-matured Fab fragment. The overall features of the binding interface seen previously with wild-type are preserved, and many contact residues are maintained in precise alignment in the superimposed structures. However, locally, we see evidence for improved contacts between antibody and antigen, and two mutations result in increased van der Waals contact and improved hydrogen bonding. Site-directed mutants confirm that the most favorable improvements as judged by examination of the complex structure, in fact, have the greatest impact on free energy of binding. In general, the final antibody has improved affinity for several VEGF variants as compared with the parental antibody; however, some contact residues on VEGF differ in their contribution to the energetics of Fab binding. The results show that small changes even in a large protein-protein binding interface can have significant effects on the energetics of interaction.

The interface between antibody and antigen is often depicted as a lock and key, suggesting that an antibody surface can accommodate only one antigen. Here, we describe an antibody with an antigen binding site that binds two distinct proteins with high affinity. We isolated a variant of Herceptin, a therapeutic monoclonal antibody that binds the human epidermal growth factor receptor 2 (HER2), on the basis of its ability to simultaneously interact with vascular endothelial growth factor (VEGF). Crystallographic and mutagenesis studies revealed that distinct amino acids of this antibody, called bH1, engage HER2 and VEGF energetically, but there is extensive overlap between the antibody surface areas contacting the two antigens. An affinity-improved version of bH1 inhibits both HER2- and VEGF-mediated cell proliferation in vitro and tumor progression in mouse models. Such “two-in-one” antibodies challenge the monoclonal antibody paradigm of one binding site, one antigen. They could also provide new opportunities for antibody-based therapy.

We have previously established a minimalist approach to antibody engineering by using a phage-displayed framework to support complementarity determining region (CDR) diversity restricted to a binary code of tyrosine and serine. Here, we systematically augmented the original binary library with additional levels of diversity and examined the effects. The diversity of the simplest library, in which only heavy chain CDR positions were randomized by the binary code, was expanded in a stepwise manner by adding diversity to the light chain, by diversifying non-paratope residues that may influence CDR conformations, and by adding additional chemical diversity to CDR-H3. The additional diversity incrementally improved the affinities of antibodies raised against human vascular endoethelial growth factor and the structure of an antibody–antigen complex showed that tyrosine side-chains are sufficient to mediate most of the interactions with antigen, but a glycine residue in CDR-H3 was critical for providing a conformation suitable for high-affinity binding. Using new high-throughput procedures and the most complex library, we produced multiple high-affinity antibodies with dissociation constants in the single-digit nanomolar range against a wide variety of protein antigens. Thus, this fully synthetic, minimalist library has essentially recapitulated the capacity of the natural immune system to generate high-affinity antibodies. Libraries of this type should be highly useful for proteomic applications, as they minimize inherent complexities of natural antibodies that have hindered the establishment of high-throughput procedures. Furthermore, analysis of a large number of antibodies derived from these well-defined and simplistic libraries allowed us to uncover statistically significant trends in CDR sequences, which provide valuable insights into antibody library design and into factors governing protein–protein interactions.