Design, synthesis, biological evaluation and binding studies of new small-molecule modulators of KDMs (lysine-specific demethylases)

Abstract

JHDMs (JmjC-domain-containing histone demethylases) are the largest class of demethylase enzymes, contain a Jumonji C (JmjC) domain and catalyze lysine demethylation of histones through an oxidative reaction that requires Fe(II) ion and α-ketoglutarate (2OG) as cofactors. The misregulation of these enzymes, in particular JMJD2 subfamily, has being significantly implicated in cancer initiation and progression. Potent and specific inhibitors of these enzymes have not been identified yet, most of them inhibiting many other Fe(II)/2OG dependent oxygenases or being affected by undesirable characteristics. Here, we describe the discovery by high throughput screening (HTS) of a bunch of novel hit compounds active against KDM4s and the subsequent hit validation stage to select the most interesting ones for further derivatization. The use of a multiple combined approach of different in vitro techniques led us to select the hit EML586 as starting point for the development of novel optimized derivatives. The substitution of quinoxaline ring with more aliphatic portions gave derivatives such as EML678 and EML684, which demonstrate a better activity against hKDM4A compared to the starting hit compound. Furthermore, they induced a marked reduction in methylation of lysines H3K9 and H3K27 in a cell-based assay together with a marked arrest in the S phase of cell cycle. [edited by author]

Le JHDM (demetilasi istoniche contenenti il dominio JmjC) rappresentano la più numerosa classe di enzimi ad attività demetilasica, contengono il dominio Jumonji C (JmjC) e tramite esso sono in grado di catalizzare la rimozione del gruppo metile da residui di lisina istonici tramite una reazione ossidativa che utilizza lo ione Fe(II) e l’α-chetoglutarato (2OG) come cofattori. Un’attività aberrante di questi enzimi, in particolare della sottofamiglia JMJD2, sembra essere correlata in maniera significativa alla genesi e alla progressione di diverse forme tumorali. Non sono stati ancora identificati inibitori potenti e specifici per questa classe enzimatica, la gran parte delle molecole ad oggi note, infatti, è affetta da caratteristiche indesiderabili come scarsa permeabilità cellulare e mancanza di selettività verso gli altri enzimi Fe(II)/2OG dipendenti. In questo lavoro è descritta la scoperta tramite high throughput screening (HTS) di un gruppo di nuovi composti hit attivi contro KDM4 ed il successivo processo di validazione utilizzato per selezionare i derivati più interessanti per il futuro sviluppo. L’utilizzo di un approccio multiplo, combinato di differenti tecniche in vivo ha permesso di selezionare il composto EML586, punto di partenza per lo sviluppo di nuovi derivati ottimizzati. La sostituzione dell’anello chinossalinico con porzioni più alifatiche ha portato all’ottenimento dei derivati EML678 e EML684, che dimostrano una migliore attività inibitoria verso KDM4A umana rispetto al composto hit di partenza. Inoltre, tali derivati inducono una marcata riduzione del livello di metilazione delle lisine H3K9 e H3K27 in cellula insieme ad un evidente arresto del ciclo cellulare nella fase S. [a cura dell'autore]