Macrocyclic ligands for DNA abasic sites as inhibitors of DNA repair : Synthesis, biochemical and biological studies
Ligands macrocycliques de sites abasiques en tant qu'inhibiteurs de la réparation de l'ADN : Synthèse, études biochimiques et biologiques
Résumé
In the context of chemotherapy, DNA repair reduces the DNA damage induced by DNA-alkylating drugs such as temozolomide, leading to chemoresistance. One of the most important pathways of DNA repair is Base Excision Repair (BER), where a key enzyme, APE1 (AP endonuclease 1), cleaves abasic sites generated following treatment with DNA-alkylating drugs and initiates the repair of the single-strand break. The DNA repair activity of APE1 was identified as the major source of chemoresistance in certain cancers. Several studies validated the BER pathway and, particularly, the APE1 enzyme as important drug targets for improvement the efficacy of anti-cancer drugs; for this reason, several APE1 inhibitors have been developed. However, instead of direct inhibition of the enzyme, an alternative strategy can rely on targeting its substrate: the AP sites in DNA. Macrocyclic compounds, namely naphthalenophanes, show a strong and selective binding to abasic sites in the DNA. This process interferes with the recognition of the latter by APE1 and leads in vitro to two effects: inhibition of the APE1-induced DNA cleavage and macrocycle-induced DNA cleavage by a mechanism different from that of APE1, namely β-elimination. Herein, a novel serie of functionalized naphthalenophanes, composed of nine novel derivatives, has been synthesized and studied. Most ligands demonstrate a strong and selective binding to AP-sites in DNA and an inhibition of APE1 activity in vitro, with inhibitory constants from 39 nM to 25 µM. Moreover, the inhibitory activity of ligands, as characterized by Kı values, could be directly related to their affinity and selectivity to AP-sites. The molecular design of macrocycles has a crucial influence on their intrinsic AP-site cleavage activity leading either to total abolition, or to an exceptionally high AP-site cleavage activity. Interestingly, an unprecedented formation of a covalent DNA-ligand adduct with one of the ligands have been characterized. Finally, the biological activity of naphthalenophanes was assessed in the TMZ-resistant glioblastoma cell line T98G. Most compounds are highly active, with GI₅₀ values in sub-micromolar or low-micromolar range. In addition, a remarkable synergic effect upon co-treatment of TMZ or MMS with one ligand (2,7-BisNP-O4Me) was demonstrated. This ligand was found to increase the number of AP-sites and the number of double-strands break in DNA upon co-treatment with TMZ and MMS suggesting APE1 inhibition as excepted. These observations highlight the hight therapeutic interest of this compound.
Dans le contexte de la chimiothérapie, la réparation de l’ADN réduit les dommages induits par les agents alkylants de l’ADN dont le témozolomide (TMZ), conduisant à la chimiorésistance. Une des voies principales de réparation de l’ADN est la voie par excision de base (BER) au sein de laquelle une enzyme clée, APE1 (endonucléase AP 1), clive les sites abasiques générés suite aux traitements par les agents alkylants et initie la réparation de la coupure simple-brin. Ce mécanisme représente une source majeure de chimiorésistance dans certains cancers. Plusieurs études ont ainsi validé la voie BER et plus particulièrement APE1 comme une cible importante dans le but d’améliorer l’efficacité des agents anticancéreux; pour ces raisons, de nombreux inhibiteurs d’APE1 ont été développés. Cependant, à la place d’une inhibition directe de l’enzyme, une stratégie alternative consiste à cibler le substrat de cette dernière : les sites abasiques. Les composés macrocycliques de type naphtalénophane ont montré la capacité à se lier fortement et sélectivement aux sites abasiques. Ce processus interfère avec la reconnaissance de ces derniers par APE1 et conduit in vitro à deux effets : l’inhibition du clivage enzymatique d’APE1 et le clivage du site AP par les macrocycles par un mécanisme différent de celui d'APE1, de type β-élimination. Ainsi, une nouvelle série de naphtalénophanes fonctionnalisés, composée de neuf nouveaux dérivés, a été synthétisée et étudiée. La plupart des macrocycles démontre la capacité à se lier fortement et sélectivement aux sites abasiques de l’ADN ainsi qu’à inhiber l’activité d’APE1 in vitro, avec des constantes d’inhibition s'étalant de 39 nM à 25 µM. De plus, l’activité d’inhibition d’APE1 par les ligands, caractérisée par les valeurs de Kı, a pu être corrélée avec leur affinité et leur sélectivité pour les sites abasiques. La structure moléculaire des macrocycles montre une forte influence sur l’activité de clivage de ces derniers pouvant conduire à une abolition ou à une très haute activité de clivage des sites abasiques. De façon intéressante, la formation d’un adduit covalent ADN – ligand avec un des macrocycles a été caractérisée. Enfin, l’activité biologique des naphtalénophanes sur la lignée cellulaire de glioblastome T98G résistante au TMZ a été étudiée. La plupart des ligands affiche une cytotoxicité élevée, avec des GI₅₀ de l’ordre du micromolaire. De plus, un remarquable effet synergique lors du traitement des cellules avec le TMZ et le MMS en combinaison avec un ligand (2,7-BisNP-O4Me) a été démontré. Ce macrocycle augmente également le nombre de sites abasiques et le nombre de coupures double-brins après un co-traitement cellulaire avec les agents alkylants suggérant ainsi l'inhibition d'APE1 attendue. Ces résultats mettent ainsi en évidence le fort intérêt thérapeutique de ce composé.
Origine : Version validée par le jury (STAR)