Design, synthesis, biological evaluation, and binding studies of small-molecule modulators of PRMTs (Protein Arginine Methyltransferases)

Abstract

La metilazione dei residui di arginina è una modifica post-traduzionale molto diffusa, eseguita da una famiglia di nove metiltransferasi note come PRMT (Protein Arginine Methyltransferases). La metilazione dell'arginina svolge un ruolo chiave nella regolazione genica grazie alla capacità delle PRMT di depositare segnali istonici attivanti o repressivi. Queste modifiche correlano le PRMT a diversi processi biologici e la loro attività aberrante è coinvolta in molte condizioni patologiche come l'infiammazione, la neurodegenerazione e patologie tumorali. Pertanto, le PRMT sono state identificate come promettenti target terapeutici. Questo progetto di dottorato si basa sulla progettazione, sintesi e valutazione in vitro di nuovi modulatori delle PRMT. A questo scopo, sono stati applicati diversi approcci di chimica farmaceutica per ottenere diverse classi di composti. La strategia principale ha sfruttato un approccio di decostruzione-ricostruzione e accrescimento di frammenti partendo da inibitori delle PRMT di tipo I a base naftalenica, da noi precedentemente identificati. Qui riportiamo l'identificazione di EML981, la cui attività inibitoria verso PRMT4 è stata supportata da studi biochimici, biofisici e cristallografici. Successivamente, l'omologo inferiore EML734 è stato identificato come il primo inibitore duale di PRMT7 e PRMT9. Inoltre, presso l'Università di Vienna, ho contribuito allo sviluppo di una nuova metodologia sintetica definita “Alkene 1,3-Funzionalizzazione”. Questa procedura è stata applicata per sviluppare analoghi del derivato EML981, costituiti da frammenti sp3-ricchi al fine di rafforzare le interazioni intermolecolari con il bersaglio proteico e aumentare la druglikeness del composto. Contemporaneamente, sono stati studiati tre approcci secondari. Il primo riporta la strategia pro-drug, applicata a promettenti composti a base pirrolica precedentemente identificati da noi. Il secondo approccio prevede la progettazione, la sintesi e la valutazione biologica di composti in grado di indurre la degradazione delle proteine (PROTAC). Infine, l'ultimo approccio (scaffold replacement approach) è stato applicato al derivato EPZ007345, ottenendo una piccola nuova libreria di composti. [a cura dell'Autore]

The methylation of arginine residues is a common post-translational modification, performed by a family of nine methyltransferases known as PRMTs (Protein Arginine Methyltransferases). Arginine methylation plays a key role in gene regulation due to the ability of the PRMTs to deposit activating or repressive “histone marks”. These modifications correlates PRMTs to several biological processes and their aberrant activity is involved in many pathological conditions like inflammation, neurodegeneration, and cancer. Therefore, PRMTs have been identified as promising therapeutic targets. This Ph. D. project is focused on the design, synthesis and in vitro evaluation of new putative modulators of PRMTs. To this purpose, different medicinal approaches have been applied to obtain different classes of compounds. The main strategy exploited a deconstruction–reconstruction and fragment growing approach, starting from naphtalene-based type I PRMT inhibitors, previously identified by us. Herein we report the identification of EML981, whose inhibitory activity toward PRMT4 has been supported by biochemical and crystal structure studies. Subsequently, the lower homologous EML734 has been identified as the first in class dual inhibitor of PRMT7 and PRMT9. Moreover, at the University of Vienna, I have been implicated in the development of a new synthetic methodology defined as “Alkene 1,3-Functionalization”. This procedure has been applied to develop analogues of EML981 bearing of sp3-rich fragments with a view to strengthen the intermolecular interactions with protein target and to increase the druglikeness of compound. Concurrently, three side approaches have been investigated. The first reports the pro-drug strategy, applied to promising pyrrole-based compounds previously identified by us. The second approach involves the design, synthesis and biological evaluation of compounds able to induce protein degradation (PROTACs). Finally, the scaffold replacement approach has been applied to inhibitor EPZ007345, affording a small library of compounds. [edited by Author]