The binding process of insulin to its transmembrane receptor entails a sophisticated interplay between two proteins, each possessing two binding sites. Given the difficulties associated with the use of insulin in the treatment of diabetes, despite its remarkable efficacy, there is interest in smaller and more stable compounds than the native hormone that would effectively activate the receptor. Our study adopts a strategy focused on synthesizing extensive combinatorial libraries of bipodal compounds consisting of two distinct peptides linked to a molecular scaffold. These constructs, evaluated in a resin bead-bound format, were designed to assess their binding to the insulin receptor. Despite notable nonspecific binding, our approach successfully generated and tested millions of compounds. Rigorous evaluations via flow cytometry and specific antibodies revealed peptide sequences with specific interactions at either receptor binding Site 1 or 2. Notably, these sequences bear similarity to peptides discovered through phage display by other researchers. This convergence of chemical and biological methods underscores nature's beauty, revealing general principles in peptide binding to the insulin receptor. Overall, our study deepens the understanding of molecular interactions in ligand binding to the insulin receptor, highlighting the challenges of targeting large proteins with small synthetic peptides.

Institute of Organic Chemistry and Biochemistry Czech Academy of Sciences Flemingovo n 2 16610 Praha 6 Czech Republic

See more in PubMed

C. R. Kahn, Mol. Metab. 2021, 52, 101318.

H. D. Brody, S. Deweerdt, S. Greenbaum, L. Gravitz, T. Mandrup-Poulsen, T. Scully, E. Dolgin, E. Jonietz, P. Shetty, S. P. Edwards, Nature, Supplement to 17 May, 2012, 485, S1–S19.

A. N. Zaykov, J. P. Mayer, R. D. DiMarchi, Nat. Rev. Drug Discovery 2016, 15, 425–439;

C. Mathieu, P. J. Martens, R. Vangoitsenhoven, Nat. Rev. Endocrinol. 2021, 17, 715–721.

P. Kurtzhals, E. Nishimura, H. Haahr, T. Hoeg-Jensen, E. Johansson, P. Madsen, J. Sturis, T. Kjeldsen, Trends Pharmacol. Sci. 2021, 42, 620–639.

M. C. Lawrence, Mol. Metab. 2021, 52, 101255.

J. Li, J. Park, J. P. Mayer, K. J. Webb, E. Uchikawa, J. Wu, S. Liu, X. Zhang, M. H. B. Stowell, E. Choi, X. C. Bai, Nat. Struct. Mol. Biol. 2022, 29, 357–368;

J. Nielsen, J. Brandt, T. Boesen, T. Hummelshoj, R. Slaaby, G. Schluckebier, P. Nissen, J. Mol. Biol. 2022, 434, 167458.

B. Zhang, G. Salituro, D. Szalkowski, Z. H. Li, Y. Zhang, I. Royo, D. Vilella, M. T. Diez, F. Pelaez, C. Ruby, R. L. Kendall, X. Z. Mao, P. Griffin, J. Calaycay, J. R. Zierath, J. V. Heck, R. G. Smith, D. E. Moller, Science 1999, 284, 974–977.

J. G. Menting, J. Whittaker, M. B. Margetts, L. J. Whittaker, G. K. W. Kong, B. J. Smith, C. J. Watson, L. Zakova, E. Kletvikova, J. Jiracek, S. J. Chan, D. F. Steiner, G. G. Dodson, A. M. Brzozowski, M. A. Weiss, C. W. Ward, M. C. Lawrence, Nature 2013, 493, 241–245;

L. Zakova, E. Kletvikova, V. Veverka, M. Lepsik, C. J. Watson, J. P. Turkenburg, J. Jiracek, A. M. Brzozowski, J. Biol. Chem. 2013, 288, 10230–10240;

L. Zakova, E. Kletvikova, M. Lepsik, M. Collinsova, C. J. Watson, J. P. Turkenburg, J. Jiracek, A. M. Brzozowski, Acta Crystallogr. Sect. D 2014, 70, 2765–2774.

M. Schlein, S. Ludvigsen, H. B. Olsen, A. S. Andersen, G. M. Danielsen, N. C. Kaarsholm, Biochemistry 2001, 40, 13520–13528.

T. Nakamura, H. Takahashi, M. Takahashi, N. Shimba, E. Suzuki, I. Shimada, J. Med. Chem. 2010, 53, 1917–1922.

C. Tan, L. H. Wei, F. P. Ottensmeyer, I. Goldfine, B. A. Maddux, C. C. Yip, R. A. Batey, L. P. Kotra, Bioorg. Med. Chem. Lett. 2004, 14, 1407–1410.

Y. S. Li, J. Kim, J. Li, F. Liu, X. Q. Liu, K. Himmeldirk, Y. L. Ren, T. E. Wagner, X. Z. Chen, Biochem. Bioph. Res. Commun. 2005, 336, 430–437.

R. B. Pillutla, R. E. Brissette, A. J. Blume, L. Schaffer, J. Brandt, N. I. Goldstein, J. Spetzler, S. Ostergaard, P. H. Hansen, (Novo Nordisk A/S, Antyra Inc.), US 2009/019072 A1, 2009;

R. B. Pillutla, R. E. Brissette, A. J. Blume, L. Schaffer, J. Brandt, N. I. Goldstein, J. Spetzler, S. Ostergaard, P. H. Hansen (Novo Nordisk A/S, Antyra Inc.), US 2011/0124556 A1, 2011.

L. Schaffer, R. E. Brissette, J. C. Spetzler, R. C. Pillutla, S. Ostergaard, M. Lennick, J. Brandt, P. W. Fletcher, G. M. Danielsen, K. C. Hsiao, A. S. Andersen, O. Dedova, U. Ribel, T. Hoeg-Jensen, P. H. Hansen, A. J. Blume, J. Markussen, N. I. Goldstein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100, 4435–4439.

L. Schaffer, C. L. Brand, B. F. Hansen, U. Ribel, A. C. Shaw, R. Slaaby, J. Sturis, Biochem. Biophys. Res. Commun. 2008, 376, 380–383.

J. Park, J. Li, J. P. Mayer, K. A. Ball, J. Wu, C. Hall, D. Accili, M. H. B. Stowell, X. C. Bai, E. Choi, Nat. Commun. 2022, 13, 5594;

N. S. Kirk, Q. Chen, Y. G. Wu, A. L. Asante, H. Hu, J. F. Espinosa, F. Martinez-Olid, M. B. Margetts, F. A. Mohammed, V. V. Kiselyov, D. G. Barrett, M. C. Lawrence, Nat. Commun. 2022, 13, 5695.

N. O. Yunn, J. Lee, H. S. Lee, E. J. Oh, M. Park, S. Park, S. Y. Jin, E. Shin, J. W. Y. Lee, Y. Kim, S. S. Bae, S. H. Ryu, Exp. Mol. Med. 2022, 54, 531–541;

N. O. Yunn, A. Koh, S. Han, J. H. Lim, S. Park, J. Lee, E. Kim, S. K. Jang, P. O. Berggren, S. H. Ryu, Nucleic Acids Res. 2015, 43, 7688–7701.

J. Kim, N. O. Yunn, M. Park, J. Kim, S. Park, Y. Kim, J. Noh, S. H. Ryu, Y. Cho, Nat. Commun. 2022, 13, 6500.

K. S. Lam, S. E. Salmon, E. M. Hersh, V. J. Hruby, W. M. Kazmierski, R. J. Knapp, Nature 1991, 354, 82–84;

R. A. Houghten, C. Pinilla, S. E. Blondelle, J. R. Appel, C. T. Dooley, J. H. Cuervo, Nature 1991, 354, 84–86.

K. S. Lam, M. Lebl, V. Krchnak, Chem. Rev. 1997, 97, 411–448;

T. Kodadek, K. Bachhawat-Sikder, Mol. BioSyst. 2006, 2, 25–35;

Z. P. Gates, A. A. Vinogradov, A. J. Quartararo, A. Bandyopadhyay, Z. N. Choo, E. D. Evans, K. H. Halloran, A. J. Mijalis, S. K. Mong, M. D. Simon, E. A. Standley, E. D. Styduhar, S. Z. Tasker, F. Touti, J. M. Weber, J. L. Wilson, T. F. Jamison, B. L. Pentelute, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2018, 115, E5298–E5306.

S. Jones, J. M. Thornton, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1996, 93, 13–20.

S. Dandapani, L. A. Marcaurelle, Nat. Chem. Biol. 2010, 6, 861–863;

H. Jubb, A. P. Higueruelo, A. Winter, T. L. Blundell, Trends Pharmacol. Sci. 2012, 33, 241–248.

D. M. Beal, L. H. Jones, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 6320–6326.

I. S. Moreira, P. A. Fernandes, M. J. Ramos, Proteins 2007, 68, 803–812.

B. Fabre, J. Picha, V. Vanek, M. Budesinsky, J. Jiracek, Molecules 2015, 20, 19310–19329;

V. Vanek, J. Picha, B. Fabre, M. Budesinsky, M. Lepsik, J. Jiracek, Eur. J. Org. Chem. 2015, 3689–3701.

J. Hajduch, B. Fabre, B. Klopp, R. Pohl, M. Budesinsky, V. Solinova, V. Kasicka, C. Kopruluoglu, S. M. Eyrilmez, M. Lepsik, P. Hobza, K. Mitrova, M. Lubos, M. S. G. Hernandez, J. Jiracek, Bioorg. Chem. 2020, 107, 104548.

J. Picha, B. Fabre, M. Budesinsky, J. Hajduch, M. Abdellaoui, J. Jiracek, Eur. J. Org. Chem. 2018, 5180–5192;

B. Fabre, J. Picha, I. Selicharova, L. Zakova, M. Chrudinova, J. Hajduch, J. Jiracek, Eur. J. Org. Chem. 2018, 5193–5201.

B. Fabre, J. Picha, V. Vanek, I. Selicharova, M. Chrudinova, M. Collinsova, L. Zakova, M. Budesinsky, J. Jiracek, ACS Comb. Sci. 2016, 18, 710–722.

J. Picha, M. Budesinsky, K. Mitrova, J. Jiracek, ChemPlusChem 2020, 85, 1297–1306.

N. F. Sepetov, V. Krchnak, M. Stankova, S. Wade, K. S. Lam, M. Lebl, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1995, 92, 5426–5430.

R. Liu, J. Marik, K. S. Lam, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 7678–7680.

P. G. Alluri, M. M. Reddy, K. Bachhawat-Sikder, H. J. Olivos, T. Kodadek, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 13995–14004.

X. W. Chen, P. H. Tan, Y. Y. Zhang, D. H. Pei, J. Comb. Chem. 2009, 11, 604–611.

T. M. Doran, Y. Gao, K. Mendes, S. Dean, S. Simanski, T. Kodadek, ACS Comb. Sci. 2014, 16, 259–270.

D. G. Udugamasooriya, S. P. Dineen, R. A. Brekken, T. Kodadek, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5744–5752.

J. M. Matharage, J. D. Minna, R. A. Brekken, D. G. Udugamasooriya, ACS Chem. Biol. 2015, 10, 2891–2899.

E. Koesema, A. Roy, N. G. Paciaroni, C. Coito, M. Tokmina-Roszyk, T. Kodadek, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202116999;

A. B. MacConnell, P. J. McEnaney, V. J. Cavett, B. M. Paegel, ACS Comb. Sci. 2015, 17, 518–534.

A. Morcavallo, M. Genua, A. Palummo, E. Kletvikova, J. Jiracek, A. M. Brzozowski, R. V. Iozzo, A. Belfiore, A. Morrione, J. Biol. Chem. 2012, 287, 11422–11436;

T. Panikova, K. Mitrova, T. Halamova, K. Mrzilkova, J. Picha, M. Chrudinova, A. Kurochka, I. Selicharova, L. Zakova, J. Jiracek, J. Med. Chem. 2021, 64, 14848–14859.

S. Asai, L. Zakova, I. Selicharova, A. Marek, J. Jiracek, Anal. Bioanal. Chem. 2021, 413, 4531–4543.

R. Hexnerova, K. Krizkova, M. Fabry, I. Sieglova, K. Kedrova, M. Collinsova, P. Ullrichova, P. Srb, C. Williams, M. P. Crump, Z. Tosner, J. Jiracek, V. Veverka, L. Zakova, J. Biol. Chem. 2016, 291, 21234–21245.

A. Kertisova, L. Zakova, K. Machackova, A. Marek, P. Sacha, P. Pompach, J. Jiracek, I. Selicharova, Open Biol. 2023, 13, 230142.

J. Picha, M. Budesinsky, K. Machackova, M. Collinsova, J. Jiracek, J. Pept. Sci. 2017, 23, 202–214;

A. R. Kunys, W. Lian, D. Pei, Curr. Protoc. Chem. Biol. 2012, 4, 331–355;

K. Machackova, K. Mlcochova, P. Potalitsyn, K. Hankova, O. Socha, M. Budesinski, A. Muzdalo, M. Lepsik, M. Cernekova, J. Radosavljevic, M. Fabry, K. Mitrova, M. Chrudinova, J. J. Lin, Y. Yurenko, P. Hobza, I. Selicharova, L. Zakova, J. Jiracek, J. Biol. Chem. 2019, 294, 17371–17382.