Synthesis and biological activity of a cytostatic inhibitor of MLLr leukemia targeting the DOT1L protein

Histone methyltransferase DOT1L catalyzes mono-, di-and trimethylation of histone 3 at lysine residue 79 (H3K79) and hypermethylation of H3K79 has been linked to the development of acute leukemias characterized by the MLL (mixed-lineage leukemia) rearrangements (MLLr cells). The inhibition of H3K79 methylation inhibits MLLr cells proliferation, and an inhibitor specific for DOT1L, pinometostat, was in clinical trials (Phase Ib/II). However, the compound showed poor pharmacological properties. Thus, there is a need to find new potent inhibitors of DOT1L for the treatment of rearranged leukemias. Here we present the design, synthesis, and biological evaluation of a small molecule that inhibits in the nM level the enzymatic activity of hDOT1L, H3K79 methylation in MLLr cells with comparable potency to pinometostat, associated with improved metabolic stability and a characteristic cytostatic effect

Conception et synthèse d'une chimiothèque ciblée contre les épi-méthyltransférases

It is recognized that epigenetic regulation is aberrant in many diseases such as cancer; in particular, methylations of histones and DNA are major players in the formation and maintenance of tumors. Histone (HMT) and DNA (DNMT) methyltransferases are therefore promising targets for anti-cancer therapies. Two DNMT inhibitors are approved for the treatment of certain leukemias and several HMT inhibitors are in clinical trials. Today there is a lack of original and pharmacologically interesting molecules that target these enzymes. We propose here to synthesize a targeted chemical library for HMTs and DNMTs. This was designed from the analysis of available crystallographic structures of the catalytic site of a dozen HMT and DNMT. Since all epigenetic MTases use the same SAM cofactor, our strategy is to design and synthesize a chemical library of SAM analogs to be coupled via binding arms to analogs of methyltransferases substrates. This allowed me to obtain bisubstrate analogs of DNMTs and HMTs. With this in mind, I was first able to design and synthesize an inhibitor based on the cyclopentane backbone against histone methyltransferase DOT1L which is very active in MLLr leukemia cells validating the effectiveness of the strategy. Then, in order to further modulate the molecules, I designed protocols to replace the adenine fragment with isosteres that would lead to greater exploration of chemical space. Secondly, I decided to explore the possibilities of modulating the linker arm and the second substrate of our molecules. I based my strategy on the development of two chemical methodologies, which lead to a rapid and modular synthesis of compounds. The ability of this chemical library to inhibit targeted MTases was determined by laboratory biologists and collaborators from the Pasteur Institute and external staff.Il est acquis que la régulation épigénétique est aberrante dans de nombreuses maladies telles que le cancer ; en particulier les méthylations des histones et de l'ADN sont des acteurs majeurs dans la formation et le maintien des tumeurs. Les méthyltransférases d'histones (HMT) et d'ADN (DNMT) sont donc des cibles prometteuses pour les thérapies anti-cancéreuses. Deux inhibiteurs de DNMT sont approuvés pour le traitement de certaines leucémies et plusieurs inhibiteurs de HMT sont en essai clinique. Aujourd'hui il manque des molécules originales et pharmacologiquement intéressantes qui ciblent ces enzymes. Nous proposons ici de synthétiser une chimiothèque ciblée pour les HMTs et DNMT. Celle-ci a été conçue à partir de l'analyse de structures cristallographiques disponibles du site catalytique d'une douzaine de HMT et DNMT. Puisque toutes les MTases épigénétiques utilisent le même cofacteur SAM, notre stratégie consiste à concevoir et synthétiser une chimiothèque d'analogues de SAM à coupler via des bras de liaison à des analogues de substrats des méthyltransférases. Ceci m'a permis d'obtenir des analogues bisubstrats de DNMTs et HMTs. Dans cette optique, j'ai d'abord pu concevoir et synthétiser un inhibiteur basé sur le squelette cyclopentane contre la méthyltransférase d'histone DOT1L qui est très actif dans les cellules leucémiques MLLr validant l'efficacité de la stratégie. Ensuite, afin de moduler davantage les molécules, j'ai conçu des protocoles pour remplacer le fragment adénine par des isostères qui conduiraient à une plus grande exploration de l'espace chimique. Dans un second temps, j'ai décidé d'explorer les possibilités de moduler le bras de liaison et le second substrat de nos molécules. J'ai basé ma stratégie sur le développement de deux méthodologies chimiques, qui conduisent à une synthèse rapide et modulable de composés. La capacité de cette chimiothèque à inhiber les MTases ciblées a été déterminée par les biologistes du laboratoire et des collaborateurs de l'institut Pasteur et externes

Conception et synthèse d'une chimiothèque ciblée contre les épi-méthyltransférases

It is recognized that epigenetic regulation is aberrant in many diseases such as cancer; in particular, methylations of histones and DNA are major players in the formation and maintenance of tumors. Histone (HMT) and DNA (DNMT) methyltransferases are therefore promising targets for anti-cancer therapies. Two DNMT inhibitors are approved for the treatment of certain leukemias and several HMT inhibitors are in clinical trials. Today there is a lack of original and pharmacologically interesting molecules that target these enzymes. We propose here to synthesize a targeted chemical library for HMTs and DNMTs. This was designed from the analysis of available crystallographic structures of the catalytic site of a dozen HMT and DNMT. Since all epigenetic MTases use the same SAM cofactor, our strategy is to design and synthesize a chemical library of SAM analogs to be coupled via binding arms to analogs of methyltransferases substrates. This allowed me to obtain bisubstrate analogs of DNMTs and HMTs. With this in mind, I was first able to design and synthesize an inhibitor based on the cyclopentane backbone against histone methyltransferase DOT1L which is very active in MLLr leukemia cells validating the effectiveness of the strategy. Then, in order to further modulate the molecules, I designed protocols to replace the adenine fragment with isosteres that would lead to greater exploration of chemical space. Secondly, I decided to explore the possibilities of modulating the linker arm and the second substrate of our molecules. I based my strategy on the development of two chemical methodologies, which lead to a rapid and modular synthesis of compounds. The ability of this chemical library to inhibit targeted MTases was determined by laboratory biologists and collaborators from the Pasteur Institute and external staff.Il est acquis que la régulation épigénétique est aberrante dans de nombreuses maladies telles que le cancer ; en particulier les méthylations des histones et de l'ADN sont des acteurs majeurs dans la formation et le maintien des tumeurs. Les méthyltransférases d'histones (HMT) et d'ADN (DNMT) sont donc des cibles prometteuses pour les thérapies anti-cancéreuses. Deux inhibiteurs de DNMT sont approuvés pour le traitement de certaines leucémies et plusieurs inhibiteurs de HMT sont en essai clinique. Aujourd'hui il manque des molécules originales et pharmacologiquement intéressantes qui ciblent ces enzymes. Nous proposons ici de synthétiser une chimiothèque ciblée pour les HMTs et DNMT. Celle-ci a été conçue à partir de l'analyse de structures cristallographiques disponibles du site catalytique d'une douzaine de HMT et DNMT. Puisque toutes les MTases épigénétiques utilisent le même cofacteur SAM, notre stratégie consiste à concevoir et synthétiser une chimiothèque d'analogues de SAM à coupler via des bras de liaison à des analogues de substrats des méthyltransférases. Ceci m'a permis d'obtenir des analogues bisubstrats de DNMTs et HMTs. Dans cette optique, j'ai d'abord pu concevoir et synthétiser un inhibiteur basé sur le squelette cyclopentane contre la méthyltransférase d'histone DOT1L qui est très actif dans les cellules leucémiques MLLr validant l'efficacité de la stratégie. Ensuite, afin de moduler davantage les molécules, j'ai conçu des protocoles pour remplacer le fragment adénine par des isostères qui conduiraient à une plus grande exploration de l'espace chimique. Dans un second temps, j'ai décidé d'explorer les possibilités de moduler le bras de liaison et le second substrat de nos molécules. J'ai basé ma stratégie sur le développement de deux méthodologies chimiques, qui conduisent à une synthèse rapide et modulable de composés. La capacité de cette chimiothèque à inhiber les MTases ciblées a été déterminée par les biologistes du laboratoire et des collaborateurs de l'institut Pasteur et externes

Design and synthesis of a targeted chemical library against epi-methyltransferases

Il est acquis que la régulation épigénétique est aberrante dans de nombreuses maladies telles que le cancer ; en particulier les méthylations des histones et de l'ADN sont des acteurs majeurs dans la formation et le maintien des tumeurs. Les méthyltransférases d'histones (HMT) et d'ADN (DNMT) sont donc des cibles prometteuses pour les thérapies anti-cancéreuses. Deux inhibiteurs de DNMT sont approuvés pour le traitement de certaines leucémies et plusieurs inhibiteurs de HMT sont en essai clinique. Aujourd'hui il manque des molécules originales et pharmacologiquement intéressantes qui ciblent ces enzymes. Nous proposons ici de synthétiser une chimiothèque ciblée pour les HMTs et DNMT. Celle-ci a été conçue à partir de l'analyse de structures cristallographiques disponibles du site catalytique d'une douzaine de HMT et DNMT. Puisque toutes les MTases épigénétiques utilisent le même cofacteur SAM, notre stratégie consiste à concevoir et synthétiser une chimiothèque d'analogues de SAM à coupler via des bras de liaison à des analogues de substrats des méthyltransférases. Ceci m'a permis d'obtenir des analogues bisubstrats de DNMTs et HMTs. Dans cette optique, j'ai d'abord pu concevoir et synthétiser un inhibiteur basé sur le squelette cyclopentane contre la méthyltransférase d'histone DOT1L qui est très actif dans les cellules leucémiques MLLr validant l'efficacité de la stratégie. Ensuite, afin de moduler davantage les molécules, j'ai conçu des protocoles pour remplacer le fragment adénine par des isostères qui conduiraient à une plus grande exploration de l'espace chimique. Dans un second temps, j'ai décidé d'explorer les possibilités de moduler le bras de liaison et le second substrat de nos molécules. J'ai basé ma stratégie sur le développement de deux méthodologies chimiques, qui conduisent à une synthèse rapide et modulable de composés. La capacité de cette chimiothèque à inhiber les MTases ciblées a été déterminée par les biologistes du laboratoire et des collaborateurs de l'institut Pasteur et externes.It is recognized that epigenetic regulation is aberrant in many diseases such as cancer; in particular, methylations of histones and DNA are major players in the formation and maintenance of tumors. Histone (HMT) and DNA (DNMT) methyltransferases are therefore promising targets for anti-cancer therapies. Two DNMT inhibitors are approved for the treatment of certain leukemias and several HMT inhibitors are in clinical trials. Today there is a lack of original and pharmacologically interesting molecules that target these enzymes. We propose here to synthesize a targeted chemical library for HMTs and DNMTs. This was designed from the analysis of available crystallographic structures of the catalytic site of a dozen HMT and DNMT. Since all epigenetic MTases use the same SAM cofactor, our strategy is to design and synthesize a chemical library of SAM analogs to be coupled via binding arms to analogs of methyltransferases substrates. This allowed me to obtain bisubstrate analogs of DNMTs and HMTs. With this in mind, I was first able to design and synthesize an inhibitor based on the cyclopentane backbone against histone methyltransferase DOT1L which is very active in MLLr leukemia cells validating the effectiveness of the strategy. Then, in order to further modulate the molecules, I designed protocols to replace the adenine fragment with isosteres that would lead to greater exploration of chemical space. Secondly, I decided to explore the possibilities of modulating the linker arm and the second substrate of our molecules. I based my strategy on the development of two chemical methodologies, which lead to a rapid and modular synthesis of compounds. The ability of this chemical library to inhibit targeted MTases was determined by laboratory biologists and collaborators from the Pasteur Institute and external staff

Direct Synthesis of Allyl Amines with 2‐Nitrosulfonamide Derivatives via the Tsuji‐Trost Reaction

International audienceThe Tsuji-Trost Reaction is a palladium-catalysed allylation of nucleophiles that consists in the reaction of a nitrogen, carbon or oxygen-based nucleophiles with an allylic substrate bearing a leaving group. Here we present the use of 2-nitrosulfonamide derivatives as nucleophile, which are reactive under mild conditions. 2-nitrosulfonyl groups are well-known dual protective activator groups easy to introduce in any type of amine substrates. The resulting 2-nitrosulfonamide derivatives are ideal substrates for the Tsuji-Trost reaction to afford a convenient and flexible access to primary and dissymmetric secondary allyl amines. The optimised procedure is flexible (for solvent, temperature, functional groups) and has been applied with good to excellent yield to access to a wide range of allyl amine derivatives

Editorial : Bisubstrate inhibitors: the promise of a selective and potent chemical inhibition of epigenetic “writers"

International audienc

Espoirs et promesses de la méthylation de l’ADN et des histones comme cibles anticancéreuses

International audienceEpigenetic regulation is altered in many diseases, in particular in cancer. Several molecules acting on the epigenetic regulation are in clinical trials, some of which are already approved for the treatment of haematological cancers. We will summarize here the latest advances in the discovery of chemical molecules acting on DNA and histone methylation. These new molecules bring new promises but also limitations that we will discuss.La régulation épigénétique est altérée dans de nombreuses maladies, dont le cancer. Plusieurs molécules agissant sur la régulation épigénétique sont testées en phase clinique ou déjà approuvées pour le traitement de leucémies, par exemple. Nous allons ici résumer les dernières avancées concernant la découverte de molécules chimiques agissant sur la méthylation de l'ADN et des histones. Ces molécules apportent de nouvelles promesses mais ont aussi des limites que nous allons discuter

Late-Stage Aryl C-H Bond Cyclopropenylation with Cyclopropenium Cations.

Herein, we disclose the first regio-, site- and chemoselective late-stage (hetero)aryl C-H bond cyclopropenylation with cyclopropenium cations (CPCs). The process is fast, operationally simple and showed an excellent functional group tolerance in densely-functionalized drug molecules, natural products, agrochemicals and fluorescent dyes. Moreover, we discovered that the installation of the cyclopropene ring in drug molecules could not only be used to shield against metabolic instability but also as a synthetic tool to reach medicinally-relevant sp3-rich scaffolds exploiting the highly-strained nature of the cyclopropene ring with known transformations