Rational design, synthesis and in vitro evaluation of cell-active chemical probes for bromodomain-containing proteins Alessandra

Abstract

Bromodomains (BRDs) are epigenetic readers able to selectively recognize the acetylated lysine residues on histone and non-histone proteins. Through their activity, bromodomain-containing proteins (BRDs) are involved in a wide range of cellular events, such as chromatin remodeling and transcriptional activation. One of the most studied and druggable family of bromodomain-containing proteins is the Bromo and Extra Terminal domain (BET) family, whose members (BRD2, BRD3, BRD4, and BRDT) contain two highly homologous bromodomains: BD1 and BD2. Despite several ligands have been discovered, there is still need to identify novel classes of compounds with high potency, selectivity and in vivo activity. This Ph. D. project is focused on the design, synthesis, biochemical and biophysical evaluation of new chemical probes for BET proteins. To this purpose, three different medicinal approaches were applied to obtain different classes of compounds. Exploiting the bisubstrate approach, bivalent ligands were designed and synthesized. Biochemical and biophysical assays allowed the identification of compound 3 (EML896), a promising bivalent compound able to bind both BD1 and BD2 bromodomain of BET proteins. Applying a frozen analogue approach, the diazobenzene core of reported diazobenzene-ligands was rigidized, yielding a benzimidazole scaffold. A small library of benzimidazole-based ligands has been designed and synthesized and compound 15 (EML765) was identified as promising BD1 selective ligand. Finally, at the University of Dundee, the attention was focused on compounds able to induce protein degradation. Specifically, proteolysis targeting chimera compounds (PROTACs) containing BD1 and BD2 selective warhead were designed, synthesized and biological evaluated.

I bromodomains (BRDs) sono reader epigenetici capaci di riconoscere selettivamente residui di lisina acetilata su proteine istoniche e non istoniche. Attraverso questa attività, le proteine contenenti bromodomain sono coinvolte in diversi eventi cellulari, come il modellamento della cromatina e l’attivazione trascrizionale. Una delle famiglie più studiate e druggable di proteine contenenti bromodomain è quella delle Bromo and Extra Terminal domain (BET), i cui membri (BRD2, BRD3, BRD4, and BRDT) contengono due bromodomain con un elevato grado di omologia: BD1 and BD2. Nonostante siano stati individuati diversi ligandi, c’è ancora bisogno di identificare una nuova classe di composti con elevata potenza, selettività e attività in vivo. Questa Tesi di Dottorato è focalizzata sulla progettazione, la sintesi e la valutazione biofisica e biochimica di nuovi chemical probes per le proteine BET. Con questo scopo, sono stati utilizzati diversi approcci di drug design per ottenere diverse classi di composti. Applicando il bisubstrate approach, sono stati progettati e sintetizzati diversi ligandi bivalenti. Saggi biochimici e biofisici hanno permesso l’identificazione del composto 3 (EML896), come promettente ligando, capace di legare simultaneamente sia il dominio BD1 che BD2 delle proteine BET. Utilizzando il frozen analogue approach, il core diazobenzenico di alcuni ligandi a scaffold diazobenzenico, riportati in letteratura, è stato irrigidito, ottenendo un nucleo benzoimidazolico. Utilizzando questo scaffold, è stata disegnata una piccola libreria di che ha permesso l’identificazione del composto 15 (EML765) come il migliore della serie e con una buona selettività per BD1. Infine, all’Università di Dundee, l’attenzione è stata focalizzata su composti in grado di indurre la degradazione proteica. In particolar modo, sono stati disegnati e sintetizzati e testati in cellula, PROTACs (PROteolysis TArgeting Chimera) contenenti ligandi selettivi per BD1 e BD2.