Crystal structure, DNA binding studies, nucleolytic property and topoisomerase I inhibition of zinc complex with 1,10-phenanthroline and 3-methyl-picolinic acid

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Cleavage of actin by interleukin 1 beta-converting enzyme to reverse DNase I inhibition.

Three of the predominant features of apoptosis are internucleosomal DNA fragmentation, plasma membrane bleb formation, and retraction of cell processes. We demonstrate that actin is a substrate for the proapoptotic cysteine protease interleukin 1beta-converting enzyme. Actin cleaved by interleukin 1beta-converting enzyme can neither inhibit DNase I nor polymerize to its filamentous form as effectively as intact actin. These findings suggest a mechanism for the coordination of the proteolytic, endonucleolytic, and morphogenetic aspects of apoptosis.

A new ELISA plate based microtiter well assay for mycobacterial topoisomerase I for the direct screening of enzyme inhibitory monoclonal antibody supernatants

Antigen specific monoclonal antibodies present in crude hybridoma supernatants are normally screened by ELISA on plates coated with the relevant antigen. Screening for inhibitory monoclonals to enzymes would require the evaluation of purified antibodies or antibody containing supernatants for their inhibition of enzyme activity in a separate assay. However, screening for inhibitory antibodies against DNA transacting enzymes such as topoisomerase I (topo I) cannot be done using hybridoma supernatants due to the presence of nucleases in tissue culture media containing foetal calf serum which degrade the DNA substrates upon addition. We have developed a simple and rapid screening procedure for the identification of clones that secrete inhibitory antibodies against mycobacterial topo I using 96 well ELISA microtiter plates. The principle of the method is the selective capture of monoclonal antibodies from crude hybridoma supernatants by topo I that is tethered to the plate through the use of plate-bound polyclonal anti-topo I antibodies. This step allows the nucleases present in the medium to be washed off leaving the inhibitor bound to the tethered enzyme. The inhibitory activity of the captured antibody is assessed by performing an in situ DNA relaxation assay by the addition of supercoiled DNA substrate directly to the microtiter well followed by the analysis of the reaction products by agarose gel electrophoresis. The validity of this method was confirmed by purification of the identified inhibitory antibody and its evaluation in a DNA relaxation assay. Elimination of all enzyme-inhibitory constituents of the culture medium from the well in which the inhibitory antibody is bound to the tethered enzyme may make this method broadly applicable to enzymes such as DNA gyrases, restriction enzymes and other DNA transaction enzymes. Further, the method is simple and avoids the need of prior antibody purification for testing its inhibitory activity. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Synthesis and evaluation of novel azaindolocarbazole derivatives as cancer chemotherapeutics

This thesis details the design and implementation of novel chemical routes towards a series of highly propitious 7-azaindolyl derivatives of the indolocarbazole (ICZ) and bisindolylmaleimide (BIM) families, with subsequent evaluation for use as cancer chemotherapeutic agents. A robust synthetic strategy was devised to allow the introduction of a 7-azaindolyl moiety into our molecular template. This approach allowed access to a wide range of β-keto ester and β-keto nitrile intermediates. Critical analysis identified F-ring modulation as a major theme towards the advancement of ICZ and BIM derivatives in drug therapy. Thus, the employment of cyclocondensation methodology furnished a number of novel aminopyrazole, isoxazolone, pyrazolone and pyrimidinone analogues, considerably widening the scope of the prevalent maleimide functionality. Photochemical cyclisation provided for the first reported aza ICZ containing a six-membered F-ring. Another method towards achieving the aza ICZ core involved use of a Perkin-type condensation approach, with chemical elaboration of the headgroup instigated post-aromatisation. Subsequent use of a modified Lossen rearrangement allowed access to further analogues containing a six-membered F-ring. Extensive screening of the novel aza ICZ and BIM derivatives was carried out against the NCI-60 cancer cell array, with nine prospective candidates selected for continued biological evaluation. From these assays, a number of compounds were shown to inhibit cancer cell growth at concentrations of below 10 nM. Indeed, the most active aza ICZ tested is currently under assessment by the Biological Evaluation Committee of the NCI due to excellent antiproliferative activity demonstrated across the panel of cell lines, with a mean GI50 of 34 nM, a mean total growth inhibition (TGI) of 4.6 μM and a mean cytotoxicity (LC50) of 63.1 μM. Correlation to known topoisomerase I (topo I) inhibitors was revealed by COMPARE analysis, and subsequent topo I-mediated DNA cleavage assays showed inhibitory activity below 1 μM for several derivatives.

Old drug, New target:Ellipticines selectively inhibit RNA Polymerase I transcription

Transcription byRNApolymerase I (Pol-I) is the main driving force behind ribosome biogenesis, a fundamental cellular process that requires the coordinated transcription of all three nuclear polymerases. Increased Pol-I transcription and the concurrent increase in ribosome biogenesis has been linked to the high rates of proliferation in cancers. The ellipticine family contains a number of potent anticancer therapeutic agents, some having progressed to stage I and II clinical trials; however, the mechanism by which many of the compounds work remains unclear. It has long been thought that inhibition of Top2 is the main reason behind the drugs antiproliferative effects. Here we report that a number of the ellipticines, including 9-hydroxyellipticine, are potent and specific inhibitors of Pol-I transcription, with IC50 in vitro and in cells in the nanomolar range. Essentially, the drugs did not affect Pol-II and Pol-III transcription, demonstrating a high selectivity.Wehave shown that Pol-I inhibition occurs by a p53-, ATM/ATR-, and Top2-independent mechanism. We discovered that the drug influences the assembly and stability of preinitiation complexes by targeting the interaction between promoter recognition factor SL1 and the rRNA promoter. Our findings will have an impact on the design and development of novel therapeutic agents specifically targeting ribosome biogenesis.

Inhibition of ribosome biogenesis induces apoptosis in p53-/- cells

The nucleolus is an important region of the nucleus that acts as the main site of rRNA transcription by RNA polymerase I (Pol-I), and one of the most prominent morphological markers of proliferative and invasive cancers is increased nucleolar size. Increases in Pol-I transcription leads to increased levels of ribosome biogenesis that are able to fuel rapid cell growth and proliferation due to increased ribosome numbers. Therefore Pol-I transcription seems a viable target for the development of anticancer therapeutics as abrogation of Pol-I transcription leads to cessation of cell growth and eventual cell death. We have confirmed that ellipticine compound, 9-Hydroxyellipticine (9HE), is an efficient inhibitor of Pol-I transcription in vitro and in p53+/+ and -/- cell lines in vivo. Short-term treatments (≤24 h) with micromolar concentrations of 9HE leads to decreased cell viability and proliferation, and leads to activation of caspases 3, 8 and 9, indicating that both intrinsic and extrinsic cell death mechanisms are activated upon Pol-I inhibition. Reactive oxygen species levels were also studied following short and long term treatments with 9HE and there was a 2/3-fold increase in cellular ROS levels. Long-term 9HE treatment (≥24 h) leads to cellular senescence as indicated by increased cellular morphology and senescence associated β-galactosidase staining, and this senescence is not accompanied by induction of autophagy. Following 24 h treatment there is also accumulation of cells in the G0/G1 phase of the cell cycle and qPCR analysis of cell cycle regulators shows down-regulation of G1/S transition associated cyclins. These data show that Pol-I transcription is a viable target for the development of novel chemotherapeutics, although further delineation of the cell death pathways remains. To further elucidate the mechanism, the role of mitochondrial death signals will be investigated by determination of cytochrome c release and regulation of Bcl2 family member proteins.

Rôle des topoisomérases de type IA dans la ségrégation des chromosomes chez Escherichia coli

Les topoisomérases I (topA) et III (topB) sont les deux topoisomérases (topos) de type IA d’Escherichia coli. La fonction principale de la topo I est la relaxation de l’excès de surenroulement négatif, tandis que peu d’information est disponible sur le rôle de la topo III. Les cellules pour lesquelles les deux topoisomérases de type IA sont manquantes souffrent d’une croissance difficile ainsi que de défauts de ségrégation sévères. Nous démontrons que ces problèmes sont majoritairement attribuables à des mutations dans la gyrase qui empêchent l’accumulation d’excès de surenroulement négatif chez les mutants sans topA. L’augmentation de l’activité de la gyrase réalisée par le remplacement de l’allèle gyrB(Ts) par le gène de type sauvage ou par l’exposition des souches gyrB(Ts) à une température permissive, permet la correction significative de la croissance et de la ségrégation des cellules topos de type IA. Nous démontrons également que les mutants topB sont hypersensibles à l’inhibition de la gyrase par la novobiocine. La réplication non-régulée en l’absence de topA et de rnhA (RNase HI) augmente la nécessité de l’activité de la topoisomérase III. De plus, en l’absence de topA et de rnhA, la surproduction de la topoisomérase III permet de réduire la dégradation importante d’ADN qui est observée en l’absence de recA (RecA). Nous proposons un rôle pour la topoisomérase III dans la ségrégation des chromosomes lorsque l’activité de la gyrase n’est pas optimale, par la réduction des collisions fourches de réplication s’observant particulièrement en l’absence de la topo I et de la RNase HI.

Rôle de la topoisomérase I dans la stabilité du génome chez Escherichia coli

Les topoisomérases (topos) de type IA jouent un rôle primordial dans le maintien et l’organisation du génome. Cependant, les mécanismes par lesquels elles contrôlent cette stabilité génomique sont encore à approfondir. Chez E. coli, les deux principales topoisomérases de type IA sont la topo I (codée par le gène topA) et la topo III (codée par le gène topB). Il a déjà été montré que les cellules dépourvues des topos I et III formaient de très longs filaments dans lesquels les chromosomes ne sont pas bien séparés. Comme ces défauts de ségrégation des chromosomes sont corrigés par l’inactivation de la protéine RecA qui est responsable de la recombinaison homologue, il a été émis comme hypothèse que les topoisomérases de type IA avaient un rôle dans la résolution des intermédiaires de recombinaison afin de permettre la séparation des chromosomes. D’autre part, des études réalisées dans notre laboratoire démontrent que le rôle majeur de la topoisomérase I est d’empêcher la formation des R-loops durant la transcription, surtout au niveau des opérons rrn. Ces R-loops on été récemment identifiés comme des obstacles majeurs à l’avancement des fourches de réplication, ce qui peut provoquer une instabilité génomique. Nous avons des évidences génétiques montrant qu’il en serait de même chez nos mutants topA. Tout récemment, des études ont montré le rôle majeur de certaines hélicases dans le soutien aux fourches de réplication bloquées, mais aussi une aide afin de supprimer les R-loops. Chez E. coli, ces hélicases ont été identifiées et sont DinG, Rep et UvrD. Ces hélicases jouent un rôle dans la suppression de certains obstacles à la réplication. Le but de ce projet était de vérifier l’implication de ces hélicases chez le mutant topA en utilisant une approche génétique. Étonnamment, nos résultats montrent que la délétion de certains de ces gènes d’hélicases a pour effet de corriger plutôt que d’exacerber des phénotypes du mutants topA qui sont liés à la croissance et à la morphologie des nucléoides et des cellules. Ces résultats sont interprétés à la lumière de nouvelles fonctions attribuées aux topoisomérases de types IA dans la stabilité du génome.

Novel agents that potentially inhibit irinotecan-induced diarrhea

Irinotecan (CPT-11, 7-ethyl-10-[4-(1-piperidino)-1-piperidino] carbonyloxycamptothecin) has exhibited clinical activities against a broad spectrum of carcinomas by inhibiting DNA topoisomerase I (Topo I). However, severe and unpredictable dosing-limiting toxicities (mainly myelosuppression and severe diarrhea) hinder its clinical use. The latter consists of early and late-onset diarrhea, occurring within 24 hr or ≥ 24 hr after CPT-11 administration, respectively. This review highlights novel agents potentially inhibiting CPT-11-induced diarrhea, which are designed and tested under guidance of disposition pathways and potential toxicity mechanisms. Early-onset diarrhea is observed immediately after CPT-11 infusion and probably due to the inhibition of acetylcholinesterase activity, which can be eliminated by administration of atropine. Lateonset diarrhea appears to be associated with intestinal exposure to SN-38 (7-ethyl-10-hydroxycamptothecin), the major active metabolite of CPT-11, which may bind to Topo I and induce apoptosis of intestinal epithelia, leading to the disturbance in the absorptive and secretory functions of mucosa. CPT-11 and SN-38 may also stimulate the production of pro-inflammatory cytokines and prostaglandins (PGs), thus inducing the secretion of Na⁺ and Cl^-. Early treatment of severe late-onset diarrhea with oral high-dose loperamide has decreased patient morbidity. Extensive studies have been conducted to identify other potential agents to ameliorate diarrhea in preclinical and clinical models. These include intestinal alkalizing agents, oral antibiotics, enzyme inducers, P-glycoprotein (PgP) inhibitors, cyclooxygenase-2 (COX-2) inhibitors, tumor necrosis factor-agr (TNF-α) inhibitors, or blockers of biliary excretion of SN-38. Further studies are needed to identify the molecular targets associated with CPT-11 toxicity and safe and effective agents for alleviating CPT-11-induced diarrhea.

The central repeat domain 1 of Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus (KSHV) latency associated-nuclear antigen 1 (LANA1) prevents cis MHC class I peptide presentation

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Etablierung und Anwendung von biophysikalischen und molekularbiologischen Methoden zur Untersuchung von Wirkmechanismen neuer Indol-, Carbazol- und Oligopyrrolcarboxamid-Derivate als potentielle antitumoraktive Stoffe

Im Rahmen der gezielten Suche nach neuen Leitstrukturen mit antitumoraler Wirkung werden im Arbeitskreis U. Pindur seit Jahren verschiedene Strukturvarianten der Indol-, Carbazol und Pyrrol-Reihe studiert. Durch die Vielzahl neu synthetisierter Verbindungen war es erforderlich, geeignete Screening-Verfahren für die Routineanalyse zu etablieren, die möglichst früh vielversprechende Substanzen detektieren können.Zwei bedeutsame Targets der antitumoralen Wirkstoffe sind die DNA und die Topoisomerase I. Demzufolge war es das Kernziel dieser Arbeit, in erster Linie Assay-Verfahren zu studieren und neu zu etablieren, die eine Wechselwirkung von neu-synthetisierten Verbindungen mit diesen Targets nachweisen könnten.Im Rahmen dieser Arbeit wurden vier Assay-Verfahren neu etabliert und für die Routineanwendung optimiert: die Bestimmung der DNA-Schmelztemperatur, der Ethidiumbromid-Verdrängungsassay, der Unwinding-Assay und die Bestimmung der Topoisomerase I-Hemmung.Mit diesen vier Methoden, die mit Hilfe neuer Synthesesubstanzen und bekannter Standard-Cytostatika in dieser Arbeit aufgebaut, validiert und optimiert wurden, und mit den Ergebnissen der Zytotoxizitätsbestimmung, die im National Cancer Institute durchgeführt wurde, sollten nun erste Basisinformationen zum zukünftigen Aufbau von Struktur-Wirkungsbeziehungen der im Arbeitskreis U. Pindur synthetisierten Verbindungen geliefert werden.Aus der Analyse der Problematik bei der Durchführung der Assays zur Bestimmung der Wechselwirkungen mit der DNA und der damit ermittelten Ergebnisse hat sich eine Reduktion der Lipophilie der Testverbindungen als besonders wichtig herausgestellt, denn die meisten Assays werden in wäßrigem Puffer durchgeführt.In Hinblick auf Struktur-Wirkungsbeziehungen der neu synthetisierten Verbindungen konnten ausgehend von den bisherigen Ergebnissen erste vororientierende Korrelationen zwischen den verschiedenen Assay-Daten aufgestellt werden. Allerdings konnte auf Grund der Heterogenität der rationalen Hintergründe der Testverfahren und der Heterogenität der untersuchten Stoffgruppen noch kein einheitliches weiterführendes Strukturkonzept erarbeitet werden. Lediglich bei den Pyrrolcarboxamid-Derivaten konnte unter Berücksichtigung folgender Informationen eine weitergehende Strukturoptimierung vorgenommen werden. Eine terminale Dimethylaminopropyl-Gruppe sowie mindestens zwei Pyrroleinheiten bzw. drei amidische Gruppen bei den DNA-rinnenbindenden Pyrrolcarboxamid-Ketten sind erforderlich, um eine Wechselwirkung mit der DNA zu erreichen. Der interkalierende Teil der als potentielle „Combilexine“ entwickelten Oligopyrrolcarboxamid-Derivate sollte eine große Affinität zur DNA aufweisen, sonst scheint dieser Strukturabschnitt eher einen sterischen Störeffekt bei der Bindung in die Rinnen der Seitenkette hervorzurufen.Eine Analyse der erforderlichen strukturellen Eigenschaften für die Wechselwirkung mit der Topoisomerase I war nicht möglich, denn Testverbindungen unterschiedlichster Struktur haben eine Hemmung dieses Enzyms gezeigt. Weiterhin ist keine Korrelation zwischen der DNA-Affinität und der Fähigkeit zur Hemmung der Topo I festzustellen. Dennoch konnte die zytotoxische Wirkung bei einer Vielzahl von Verbindungen mit einer Hemmung der Topoisomerase I erklärt.Auf Grund der vorliegenden Ergebnisse sollten nun weitere Verbindungen gezielter synthetisiert werden, deren Analyse mit Hilfe der im Rahmen dieser Arbeit etablierten Verfahren zur Aufklärung weiterer essentieller Punkte für die Wechselwirkung mit der DNA und den Topoisomerasen führen soll.

Untersuchung der DNA-bindenden Eigenschaften neuer Nukleobasen-gekoppelter Pyrrolcarboxamide, Combilexine und Hetaren[a]carbazol-Derivate: Validierung und Etablierung von in-vitro- und in-silico-Methoden

Da maligne Neoplasien durch Mutationen in Proto-Onko- und/oder Tumorsuppressorgenen ausgelöst werden, stellt die DNA eines der wichtigsten Targets für die Entwicklung neuer Zytostatika dar. Auch bei den im Arbeitskreis Pindur designten und synthetisier-ten Verbindungen der Nukleobasen-gekoppelten Pyrrolcarboxamid-, der Hetaren[a]carbazol- und der Combilexin-Reihe handelt es sich um DNA-Liganden mit potentiell antitumoraktiven Eigenschaf-ten. Die einen dualen Bindemodus aufweisenden Combilexine bestehen aus einem Interkalator (u. a. Naphthalimid, Acridon), der über einen Linker variabler Kettenlänge mit einer rinnenbin-denden, von Netropsin abgeleiteten Bispyrrol-, oder einer bioisosteren Imidazol-, Thiazol- oder Thiophen-pyrrolcarboxamid-struktur verknüpft ist. Das N-terminale Ende der Combilexine wird von einer N,N-Dimethylaminopropyl- oder -ethyl-Seitenkette gebildet. Die DNA-Affinitäten der Liganden wurden mittels Tm-Wert-Messung-en bestimmt. Diese Denaturierungsexperimente wurden sowohl mit poly(dAdT)2- als auch mit Thymus-DNA (~42% GC-Anteil) durchge-führt, um Aussagen zur Stärke und zur Sequenzselektivität der DNA-Bindung machen zu können. Des Weiteren wurden die Bindekon-stanten einiger ausgewählter Vertreter mit Hilfe des Ethidium-bromid-Verdrängungsassays ermittelt; einige Testverbindungen wurden zudem auf potentiell vorhandene, TOPO I-inhibierende Eigenschaften untersucht. Diese biochemischen und biophysika-lischen Tests wurden durch Molecular Modelling-Studien ergänzt, die die Berechnung von molekularen Eigenschaften, die Durch-führung von Konformerenanalysen und die Simulation von DNA-Ligand-Komplexen (Docking) umfassten. Durch Korrelation der in vitro-Befunde mit den in silico-Daten gelang es, vor allem für die Substanzklasse der Combilexine einige richtungweisende Struktur-Wirkungsbeziehungen aufzustellen. So konnte gezeigt werden, dass die Einführung eines Imidazol-Rings in die rinnen-bindende Hetaren-pyrrolcarboxamid-Struktur der Combilexine aufgrund der H-Brücken-Akzeptor-Funktion des sp2-hybridisierten N-Atoms eine Verschiebung der Sequenzselektivität der DNA-Bindung von AT- zu GC-reichen Arealen der DNA bedingt. Zudem erwies sich ein C3-Linker für die Verknüpfung des Naphthalimids mit dem rinnenbindenden Strukturelement als am besten geeignet, während bei den Acridon-Derivaten die Verbindungen mit einem N-terminalen Buttersäure-Linker die höchste DNA-Affinität aufwiesen. Dies ist sehr wahrscheinlich auf die im Vergleich zum Naphthalimid-Molekül geringere y-Achsen-Ausdehnung (bzgl. eines x/y-Koordinatensystems) des Acridons zurückzuführen. Die ermittelten Struktur-Wirkungsbeziehungen können dazu herangezogen werden, das rationale Design neuer DNA-Liganden mit potentiell stärkerer DNA-Bindung zu optimieren.

The Topoisomerase I Inhibitor Irinotecan and the Tyrosyl-DNA Phosphodiesterase 1 Inhibitor Furamidine Synergistically Suppress Murine Lupus Nephritis

OBJECTIVE The treatment of lupus nephritis is still an unmet medical need requiring new therapeutic approaches. Our group found recently that irinotecan, an inhibitor of topoisomerase I (topo I), reversed proteinuria and prolonged survival in mice with advanced lupus nephritis. While irinotecan is known to stabilize the complex of topo I and DNA, the enzyme tyrosyl-DNA phosphodiesterase 1 (TDP-1) functions in an opposing manner by releasing topo I from DNA. Therefore, we undertook this study to test whether the TDP-1 inhibitor furamidine has an additional effect on lupus nephritis when used in combination with irinotecan. METHODS NZB/NZW mice were treated with low-dose irinotecan and furamidine either alone or in combination beginning at age 26 weeks. DNA relaxation was visualized using gel electrophoresis. Binding of anti-double-stranded DNA (anti-dsDNA) antibodies to DNA modified by topo I, TDP-1, and the topo I inhibitor camptothecin was determined by enzyme-linked immunosorbent assay. RESULTS Compared to treatment with either agent alone, simultaneous treatment with low-dose irinotecan and furamidine significantly improved survival of NZB/NZW mice. Similar to what has been previously shown for irinotecan alone, the combination treatment did not change the levels of anti-dsDNA antibodies. In vitro, recombinant TDP-1 increased topo I-mediated DNA relaxation, resulting in enhanced binding of anti-dsDNA antibodies. In combination with topo I and camptothecin, TDP-1 reversed the inhibitory effects of camptothecin on DNA relaxation and anti-dsDNA binding. CONCLUSION Affecting DNA relaxation by the enzymes topo I and TDP-1 and their inhibitors may be a promising approach for the development of new targeted therapies for systemic lupus erythematosus.

Human immunodeficiency virus type 1 reverse transcriptase: enhancement of activity by interaction with cellular topoisomerase I.

A number of studies have suggested that topoisomerase I (topo I) activity may be important in human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) replication. Specifically it has been reported that purified virus particles have topo I activity and that inhibitors of this enzyme can inhibit virus replication in vitro. We have investigated a possible association of HIV-1 gag proteins with topo I activity. We found that whereas the gag-encoded proteins by themselves do not have activity, the nucleocapsid protein p15 can interact with and enhance the activity of cellular topo I. Furthermore it could be demonstrated that topo I markedly enhanced HIV-1 reverse transcriptase activity in vitro and that this could be inhibited by the topo I-specific inhibitor camptothecin. The findings suggest that cellular topo I plays an important role in the reverse transcription of HIV-1 RNA and that the recruitment of this enzyme may be an important step in virus replication.