Combinatorial chemistry approaches for the development of G-quadruplex DNA and RNA ligands
Les approches de chimie combinatoire pour le développement des ligands de G-quadruplexes de l'ADN et de l'ARN
Résumé
G-quadruplexes (G4s) are four-stranded structures of nucleic acids (DNA or RNA) that consist of at least two coplanar guanine quartets. An important feature of G4s is their ability to form stable complexes with exogenous small molecules (ligands) and thus influence biological processes in which they are involved. G4 targeting is often associated with oncology, where G4 ligands may suppress the expression of oncogenes, inhibit telomerase, or induce DNA damage in cancer cells. This work aims to develop methodologies for rapid and simple synthesis and screening of compounds, in order to identify selective and highly affine ligands of given non-canonical structures of nucleic acids, in particular G4s. Specifically, this works exploits the chemistry of reversible synthesis of acylhydrazones, which has been barely applied for the development of DNA or RNA ligands before. First, a small library of 20 cationic bis(acylhydrazones), analogues of the previously reported G4-ligands PDC (360A) and PhenDC3, was obtained by preparative synthesis. Through fluorescence melting experiments it is demonstrated that some of compounds indeed have high affinity to G4-DNA, validating the suitability of the acylhydrazone motif as a scaffold for the development of G4 ligands. Next, a method of dynamic combinatorial chemistry (DCC), which consists in simultaneous one-pot generation of libraries of up to 20 compounds with consecutive pull-down of most affine ligands by bead-immobilized targets (i.e., G4-DNA), was developed. By using this method, a non-symmetrical bis(acylhydrazone) was identified as a promising ligand of a parallel G4-DNA Pu24T. However, biophysical experiments with its close structural analogues did not confirm their preferential binding in comparison with the symmetrically substituted compound. It is proposed that the outcome of DCC experiments may be biased by non-specific interactions of ligands with magnetic beads, leading to false-positive results. In order to improve the analysis of dynamic combinatorial libraries, a novel method based on solid-phase extraction of the G4-ligand complex was developed and applied to two libraries of non-symmetric acylhydrazones. In a few rounds of selection, 13 hits were obtained out of 70 in situ generated compounds. Three of them were selected for preparative synthesis and detailed study of interaction with G4-DNA. In parallel, a classical combinatorial chemistry approach was developed, resulting in generation of a combinatorial library of 90 individual bis(acylhydrazone) derivatives in the form of ready-to-use 2 mM solutions in DMSO, with an average purity of 87%. These samples were directly used for biophysical screening experiments towards four G4-DNA targets of three different topologies. Three most active compounds were obtained in preparative manner and their interaction with the mentioned biological targets was studied in detail by several biophysical methods, including native mass spectrometry experiments. This way, at least one derivative with a G4-DNA affinity superior to that of PhenDC3 and unprecedented selectivity towards anti-parallel G4-DNA could be identified. Finally, in the framework of a collaborative project (M. Blondel, University of Western Brittany) the ligands synthesized in this work were studied with respect to their capacity to act as modulators of the immune evasion of Epstein–Barr virus (EBV). Specifically, it was shown that several bis(acylhydrazones) bind in vitro to G4-RNA structures formed by the guanine-rich repeat sequence of mRNA encoding for the glycine-alanine rich (GAr) domain of viral genome maintenance protein EBNA1. Moreover, two derivatives were found to displace the host cell factor nucleolin from EBNA1 mRNA, leading to overexpression of EBNA1 protein and a concomitant increase of antigen presentation in EBV-infected cell cultures. This effect represents an interesting therapeutic opportunity for treatment of EBV-related cancers.
Les G-quadruplexes (G4s) sont des structures non-canoniques d’acides nucléiques (ADN et ARN) constituées d’au moins deux quartets de guanines. L’une des propriétés importantes des G4s est leur capacité à former des complexes avec de petites molécules exogènes (ligands) et d’influencer ainsi les processus biologiques dans lesquels ils sont impliqués. Ainsi, l’interaction de petites molécules avec certaines structures G4s permettrait de diminuer l’expression de certains oncogènes, d’inhiber la télomérase ou encore d’induire des dommages à l’ADN. Ce travail vise à développer des méthodologies rapides et simples pour la synthèse et le criblage des molécules afin d’identifier des ligands sélectifs et affins de structures non-canoniques d’acides nucléiques, en particulier des G4s. Plus précisément, ce travail explore la synthèse réversible d’acylhydrazones, jusqu’ici peu appliquée pour le développement de ligands de l’ADN et de l’ARN. Dans un premier temps, une série de 20 bis(acylhydrazones), analogues des ligands PDC (360A) et PhenDC3, a été obtenue par la synthèse préparative. Les expériences de dénaturation thermique suivie par fluorescence ont démontré que certains de ces composés avaient une bonne affinité pour l’ADN G4. Ces expériences ont permis de valider le potentiel du motif acylhydrazone pour le développement de ligands des G4s. Ensuite, une méthode de chimie dynamique combinatoire (CDC) a été développée. Cette dernière consiste en génération de bibliothèques combinatoires comportant jusqu’à 20 composés, suivie par l’isolement des ligands les plus affins par la précipitation avec la cible, immobilisée sur des billes magnétiques. Ainsi, un bis(acylhydrazone) non-symétrique a été identifié comme un ligand prometteur du G4 parallèle Pu24T. Cependant, les expériences avec ses proches analogues n’ont pas confirmé son affinité aux G4 augmentée par rapport aux dérivés symétriques. Il a été supposé que les résultats d’expériences de CDC pouvaient être biaisés par des interactions non-spécifiques entre les ligands et les billes magnétiques. Pour améliorer l’analyse des bibliothèques combinatoires, une nouvelle méthode basée sur l’extraction en phase solide des ligands a été développée et appliquée à deux bibliothèques d’acylhydrazones non-symétriques. Huit hits ont été obtenus à partir de 70 composés générés in situ. Trois d’entre eux ont été sélectionnés pour la synthèse préparative et une étude de l’interaction avec l’ADN G4. En parallèle, une approche classique de chimie combinatoire a été élaborée, ce qui a conduit à la génération d’une bibliothèque combinatoire de 90 dérivés bis(acylhydrazone) sous forme de solutions 2 mM dans DMSO prêtes à l’emploi, avec une pureté moyenne de 87%. Ces échantillons ont été utilisés directement dans le criblage biophysique contre quatre G4s de l’ADN de trois topologies différentes. Les composés les plus actifs ont été synthétisés d’une manière préparative et leur interaction avec les G4s a été étudiée en détail par des méthodes biophysiques, y compris la spectrométrie de masse native. Ainsi, au moins un dérivé avec une affinité pour les G4s supérieure à celle de PhenDC3 et une sélectivité inédite pour le G4 antiparallèle a été identifié. Enfin, dans le cadre d’un projet collaboratif (M. Blondel, Université de Bretagne Occidentale), des ligands synthétisés au cours de ce travail ont été étudiés vis-à-vis de leur capacité à moduler d’évasion immune du virus d’Epstein–Barr (EBV). Il a été démontré que certains bis(acylhydrazones) interagissent in vitro avec la séquence riche en guanines de l’ARNm codante pour le domaine riche en glycine-alanine (GAr) de la protéine virale EBNA1. Deux de ces dérivés déplacent le facteur de la cellule hôte (nucléoline) de l’ARNm d’EBNA1, conduisant ainsi à la surexpression de la protéine et à la présence exacerbé de peptides antigéniques sur les cellules infectées. Cet effet représente une opportunité thérapeutique pour le traitement des cancers associés à l’EBV.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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