TARGETING G-QUADRUPLEX DNA: SYNTHESIS OF NEW LIGANDS GUIDED BY ESI MASS SPECTROMETRY AND COMPUTATIONAL METHODS

The search for novel molecules able to bind to the double strand DNA is an important topic in the medicinal chemistry field and could help therefore to expand the set of drugs used against various diseases including cancer. Similarly, the identification of new selective quadruplex ligands, represents an appealing, alternative strategy, to target the nucleic acid when folded in this non-canonical form. Moreover, the quadruplexes can be found in a specific region of the chromosomes called telomeres, which maintenance is crucial for the vast majority of tumors (J. W. Shay, W. E. Wright, Nature Reviews Genetics, 2019). In these last 30 years, various scaffolds were developed and investigated for the stabilization of the quadruplex motif; also the evolution in the study of its structure led to the discovery of important techniques to investigate either the quadruplex arrangement itself, which is nowadays known to assume different forms, namely topologies, and also the ligand binding event. In this context, the native ESI mass spectrometry emerged as a compelling tool to evaluate relevant parameters as the interaction strength and the binding stoichiometry. Furthermore, the use of computational tools such as molecular docking and molecular dynamics, allowed the prediction of the final structure of the complexes with an increasing degree of confidence (Ribaudo et al., J Med Chem, 2021). In this doctoral thesis it will be presented the research work that I have conducted during these three last years on the development of new ligands able to target the telomeric DNA, either in its double strand form and even more in its non-canonical quadruplex fold. In the specific, the three works presented included the synthesis of different ligands, their characterization and the study of the interaction with the nucleic acid through spectrometric, spectroscopic techniques and computational investigations. In the first two studies, the investigation on mono- and di-substituted double strand DNA and quadruplex ligands based on the anthracene-propargylamine scaffold is discussed. In particular, a first set of 6 ligands, synthesized through the A3 coupling, demonstrated a good ability to interact with the nucleic acid but didn’t show a selectivity for the quadruplex fold (Ongaro et al., Chemistry Select, 2019). For this reason, the scaffold was optimized with the addition of a second side-chain, increasing both the affinity and the selectivity for the quadruplex DNA (Ribaudo et al., Molbank, 2020). In the third presented study (Ongaro et al., ChemMedChem, 2021), the discussion is focus instead on the anthraquinone-amino acid conjugate scaffold, prepared leveraging the CuAAC reaction which allowed an efficient generation of a set of 7 conjugates. The ligands demonstrated an elevated affinity and selectivity for the quadruplex DNA and the ability to induce a variation of the fold topology.

La ricerca di nuove molecole in grado di legare il DNA a doppio filamento rappresenta un importante obbiettivo per il campo della chimica farmaceutica e potrebbe potenzialmente consentire di espandere il set di farmaci usati come cura per diverse patologie tra cui il cancro. Similarmente, l’identificazione di nuovi leganti selettivi per la struttura del DNA di tipo quadruplex può rappresentare un’interessante strategia alternativa per bersagliare l’acido nucleico nella sua forma non canonica. Inoltre i quadruplex sono presenti in specifiche regioni dei cromosomi chiamati telomeri, il cui mantenimento risulta cruciale per la vasta maggioranza dei tumori (J. W. Shay, W. E. Wright, Nature Reviews Genetics, 2019). Negli ultimi 30 anni, diversi ligandi sono stati sviluppati ed investigati per la loro capacità di stabilizzare il quadruplex; inoltre l’evoluzione nello studio strutturale ha portato alla scoperta di importanti tecniche analitiche ed investigative in grado di consentire lo studio sia della struttura stessa del quadruplex, che è ad oggi risaputo poter assumere diverse topologie, sia dell’interazione con esso di specifici ligandi. In questo contesto, la spettrometria di massa ESI in condizioni native è emersa come un potente strumento per analizzare importanti parametri del binding come la forza dell’interazione e la sua stechiometria. Inoltre l’uso di strumenti computazionali come il molecular docking e la molecular dynamics ha consentito, con un crescente grado di confidenza, la predizione della struttura finale dei complessi (Ribaudo et al., J Med Chem, 2021). In questa tesi di dottorato verrà presentato il lavoro di ricerca da me condotto durante questi tre anni per lo sviluppo di nuovi ligandi capaci di interagire con il DNA telomerico, sia nella sua forma a doppio filamento e ancor più nella sua forma non-canonica di tipo quadruplex. Nello specifico, i tre lavori presentati comprendono la sintesi di diversi ligandi, la loro caratterizzazione e lo studio dell’interazione con l’acido nucleico attraverso tecniche spettroscopiche e spettrometriche ed indagini di tipo computazionale. Nei primi due studi verrà discusso lo studio di ligandi mono- e di-sostituiti del DNA a doppio filamento e di tipo quadruplex, basati sulla struttura di tipo antracene-propargilammina. In particolare, un set di 6 ligandi sintetizzati attraverso la reazione di A3 coupling, hanno dimostrato una buona abilità di interagire con l’acido nucleico ma senza selettività per la struttura quadruplex (Ongaro et al., Chemistry Select, 2019). Per questo motivo la struttura è stata oggetto di ottimizzazione attraverso l’aggiunta di una seconda catena laterale, aumentando sia l’affinità che la selettività per il DNA di tipo quadruplex (Ribaudo et al., Molbank, 2020). Nel terzo studio riportato (Ongaro et al., ChemMedChem, 2021), la discussione si è invece focalizzata sui ligandi a struttura di tipo coniugato antrachinone-amminoacido, nello specifico 7 coniugati sono stati preparati usando l’efficace reazione di cicloaddizione CuAAC. Questi ultimi hanno dimostrato una elevata affinità e selettività per il DNA di tipo quadruplex ed inoltre l’abilità di indurre una variazione di topologia dello stesso.