Design, synthesis and pharmacological evaluation of potent farnesyltransferase inhibitors in cancer therapy
Conception, synthèse et évaluation pharmacologique d'inhibiteurs potentiels de farnésyltransférase dans le traitement du cancer
Résumé
The maturation of many proteins requires one or more post-translational modification(s). Around 60 proteins (Ras, Rheb, RhoB, CENP-E, -F) were activated by a series of post-translational modifications including prenylation, proteolysis and carboxymethylation. The prenylation is the addition of an isoprenoid moiety to the cysteine residue located at the C-terminal tetrapeptidic sequence called "CA1A2X box" (A1A2: aliphatic amino acids; X: methionine or serine for farnesyltransferase, leucine or isoleucine for geranylgeranyltransferase-I). This reaction is catalyzed by a zinc metaloenzyme, the farnesyltransferase (C15) (FTase) or geranylgeranyltransferase (C20) (GGTase-I). The farnesylation give the sufficient hydrophobicity for the adequate cellular localisation of the protein overactivated in some pathology like cancer. This perturbation can be inducing ether directly by mutation of the farnesylated protein or by mutation of an activator or an inactivator of the farnesylate protein. Thus intense studies have been focused to design farnesyltransferase inhibitors (FTis).
Actually, three compounds with selective inhibition of FTase vs GGTase-I are in clinical trials. A survey of cancer cell lines has shown that more than 70% of these cell lines are sensitive to FTis, with the exact biological mechanism remains still unknown. An accuracy acknowledgment of the number of farnesylated proteins and the role of their farnesylation would allow the discovery of this mechanism. Yet, the excellent efficacy and low systemic toxicity in preclinical animal models of FTis present these inhibitors as promising agents in cancer therapy.
One of the strategies to inhibit this enzyme consists in the design of peptidomimetics of the "CA1A2X box". The acknowledgment of the FTase allowed the evolution of FTis from thiol-containing peptidomimetics to non-thiol, non-peptidic molecules, which may or may not interact with the zinc atom. On the basis of this model and studies of molecular modelling, we have designed three series of compounds, in which the zinc chelator, the 1-(4-cyanobenzyl)-5-methylimidazole, is constant:
- a series in which the spacer is a 4-aminopiperidine-2-carboxylate methyl ester where the hydrophobic moiety is modulate,
- two series where the spacer is the 1,4-diazepane substituted or not by a phenyl and in which hydrophobic moiety is the variation component.
Enzymatic and cellular (DU145 and PC3) assays of the synthesized compounds allowed us to establish structure-activity relationships, and thus to design new appropriate structures. CENP-E and CENP-F, centromere-associated proteins, are pertinent targets of FTis since their functional association with mitotic spindle requires farnesylation. We would so like to evaluate any selcted FTis for their effects on the CENP.
Actually, three compounds with selective inhibition of FTase vs GGTase-I are in clinical trials. A survey of cancer cell lines has shown that more than 70% of these cell lines are sensitive to FTis, with the exact biological mechanism remains still unknown. An accuracy acknowledgment of the number of farnesylated proteins and the role of their farnesylation would allow the discovery of this mechanism. Yet, the excellent efficacy and low systemic toxicity in preclinical animal models of FTis present these inhibitors as promising agents in cancer therapy.
One of the strategies to inhibit this enzyme consists in the design of peptidomimetics of the "CA1A2X box". The acknowledgment of the FTase allowed the evolution of FTis from thiol-containing peptidomimetics to non-thiol, non-peptidic molecules, which may or may not interact with the zinc atom. On the basis of this model and studies of molecular modelling, we have designed three series of compounds, in which the zinc chelator, the 1-(4-cyanobenzyl)-5-methylimidazole, is constant:
- a series in which the spacer is a 4-aminopiperidine-2-carboxylate methyl ester where the hydrophobic moiety is modulate,
- two series where the spacer is the 1,4-diazepane substituted or not by a phenyl and in which hydrophobic moiety is the variation component.
Enzymatic and cellular (DU145 and PC3) assays of the synthesized compounds allowed us to establish structure-activity relationships, and thus to design new appropriate structures. CENP-E and CENP-F, centromere-associated proteins, are pertinent targets of FTis since their functional association with mitotic spindle requires farnesylation. We would so like to evaluate any selcted FTis for their effects on the CENP.
La maturation de nombreuses protéines requiert une voire plusieurs modification(s) post-traductionnelle(s). Environ 60 oncoprotéines (Ras, Rheb, RhoB, CENP-E, -F) sont activées par une série de modifications post-traductionnelles incluant la prénylation, la protéolyse et la carboxyméthylation. La prénylation est l'ajout d'un groupement isoprénoïde sur le résidu cystéinyle localisé au niveau de la séquence C-terminale tétrapeptidique appelée "boîte CA1A2X" (A1A2: deux acides aminés aliphatiques; X: une méthionine ou une sérine pour la FTase et une leucine ou une isoleucine pour la GGTase-I). Cette réaction est catalysée par une métaloenzyme à zinc, la farnésyltransférase (C15) (FTase) ou la géranylgéranyltransférase (C20) (GGTase-I). La farnésylation apporte l'hydrophobie suffisante pour la localisation cellulaire adéquate de protéines suractivées dans certaines pathologies comme le cancer. Ce disfonctionnement peut être induit soit directement par mutation de la protéine farnésylée soit indirectement par mutation d'un activateur ou inactivateur de la protéine farnésylée. D'intenses études se sont donc focalisées pour concevoir des inhibiteurs de farnésyltransférase (FTis).
Actuellement, trois composés, avec une inhibition sélective de la FTase vis-à-vis de la GGTase-I, sont en essais cliniques. Une étude sur des lignées cellulaires cancéreuses a montré que plus de 70% de ces lignées sont sensibles aux FTis, mais leur mécanisme d'action exact reste encore inconnu. Une connaissance précise du nombre de protéines farnésylées et l'élucidation des conséquences de leur farnésylation faciliteraient la découverte de ce mécanisme. Cependant, l'excellente efficacité et la faible toxicité systémique sur des modèles précliniques animaux des FTis présentent ces inhibiteurs comme agents prometteurs dans la thérapie anti-cancéreuse.
Une des stratégies pour inhiber cette enzyme consiste à concevoir des peptidomimétiques de la "boîte CA1A2X". La connaissance de la FTase a permis le passage des FTis peptidomimétiques contenant des thiols à des molécules sans thiol, non-peptidiques, pouvant ou ne pouvant pas interagir avec l'atome de zinc. Sur la base de ce modèle et d'études de modélisation moléculaire, nous avons conçu trois séries de composés, dans lesquelles le chélateur de zinc, le 1-(4-cyanobenzyl)-5-méthylimidazole, est constant :
- une série dans laquelle l'espaceur est la 4-aminopipéridine-2-carboxylate de méthyle où la partie hydrophobe est substituée,
- deux séries où l'espaceur est le 1,4-diazépane substituté ou non par un phényle et dans lesquelles la partie hydrophobe est l'élément de modulation.
Les évaluations enzymatique et cellulaire (DU145 et PC3) des composés synthétisés nous ont permis de compléter les relations structure-activité, permettant ainsi de proposer de nouvelles structures. Les protéines associées aux centromères, CENP-E et CENP-F, sont des cibles pertinentes des FTis, puisque leur association fonctionnelle avec le fuseau mitotique nécessite une farnesylation. Nous avons également souhaité évaluer quelques FTis sélectionnés pour leur effet sur les CENP.
Actuellement, trois composés, avec une inhibition sélective de la FTase vis-à-vis de la GGTase-I, sont en essais cliniques. Une étude sur des lignées cellulaires cancéreuses a montré que plus de 70% de ces lignées sont sensibles aux FTis, mais leur mécanisme d'action exact reste encore inconnu. Une connaissance précise du nombre de protéines farnésylées et l'élucidation des conséquences de leur farnésylation faciliteraient la découverte de ce mécanisme. Cependant, l'excellente efficacité et la faible toxicité systémique sur des modèles précliniques animaux des FTis présentent ces inhibiteurs comme agents prometteurs dans la thérapie anti-cancéreuse.
Une des stratégies pour inhiber cette enzyme consiste à concevoir des peptidomimétiques de la "boîte CA1A2X". La connaissance de la FTase a permis le passage des FTis peptidomimétiques contenant des thiols à des molécules sans thiol, non-peptidiques, pouvant ou ne pouvant pas interagir avec l'atome de zinc. Sur la base de ce modèle et d'études de modélisation moléculaire, nous avons conçu trois séries de composés, dans lesquelles le chélateur de zinc, le 1-(4-cyanobenzyl)-5-méthylimidazole, est constant :
- une série dans laquelle l'espaceur est la 4-aminopipéridine-2-carboxylate de méthyle où la partie hydrophobe est substituée,
- deux séries où l'espaceur est le 1,4-diazépane substituté ou non par un phényle et dans lesquelles la partie hydrophobe est l'élément de modulation.
Les évaluations enzymatique et cellulaire (DU145 et PC3) des composés synthétisés nous ont permis de compléter les relations structure-activité, permettant ainsi de proposer de nouvelles structures. Les protéines associées aux centromères, CENP-E et CENP-F, sont des cibles pertinentes des FTis, puisque leur association fonctionnelle avec le fuseau mitotique nécessite une farnesylation. Nous avons également souhaité évaluer quelques FTis sélectionnés pour leur effet sur les CENP.
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