Tool Compounds enabling a Molecular Understanding of Monoamine Transporters and G-Quadruplex DNA

Abstract

The three monoamine neurotransmitters serotonin, norepinephrine, and dopamine play an essential role in our bodies’ everyday functions. Their respective transporters SERT (serotonin transporter), NET (norepinephrine transporter) and DAT (dopamine transporter) regulate their levels in the central nervous system, terminating neurotransmission by reuptake of released neurotransmitters from the synaptic cleft. Thereby, monoamine transporters (MATs) control key neurological processes, including emotions, attention, appetite, and sleep. Dysfunctions of MATs are associated with severe diseases like depression, epilepsy, anxiety, ADHD and Parkinson’s disease, which makes in-depth understanding of SERT, NET, and DAT indispensable for the design of novel, selective drugs. G-quadruplexes (G4s) are secondary DNA structures formed in guanine-rich DNA sequences and are believed to influence genome functions like transcription, genome stability and many more. Often, an increase of G4s is detected in precancerous cells compared to respective parent healthy cells, which renders G4s an emerging research topic in the field of cancer biology for therapeutic targeting.While bioactive compounds are widely used as therapeutic agents in pharmacotherapy, providing treatments and relief for various common illnesses, they also often exhibit adverse effects due to off-target activity. Photopharmacology on the other hand is an emerging field, connecting pharmacology and photochemistry of bioactive compounds. By incorporating photoswitchable moieties, known as photoswitches, into pharmacologically active agents, photopharmacology enables light-induced, highly precise temporal and spatial control of several biological targets, including transporters and DNA.Within this thesis, efforts towards the elucidation of the transport mechanism of SERT, its selective targeting by psychoactive agents for therapeutic purposes, and the light-induced control of NET via a photoswitch were made. Additionally, mechanistic insights into the photochemical processes within arylazopyrazoles were gained and photoswitchable ligands for G4 DNA were investigated, enabling the light-controlled stabilization and destabilization of the secondary DNA structure.To investigate psychoactive substances selectively targeting SERT, several cathinone and methcathinone derivatives were synthesized and pharmacologically evaluated, leading to the identification of a promising, SERT-selective candidate with therapeutic potential. To elucidate the SERT transport-cycle, a homologous series of serotonin derivatives with varying side chain lengths were synthesized, as computational studies suggested that the side chain length might substantially impact the binding of the respective serotonin derivative at SERT. Subsequent pharmacological in-vitro and ex-vivo studies confirmed this, yielding precious information for future rational design of selective SERT substrates and inhibitors.In-depth computational and experimental investigations of the Z/E isomerization mechanism of arylazopyrazoles elucidated and proved an up-to-date neglected mechanistic pathway for the thermal backisomerization including the molecule’s triplet state. These findings can aid the design of photoswitches with customized photophysical properties. By introduction of a photoswitchable azo-moiety into the known NET-selective compound Reboxetine, the first photoswitchable inhibitors for NET were obtained and successfully photopharmacologically evaluated. Further, several heteroaromatic photoswitches were investigated as potential G4 stabilizers, preparing and photophysically characterizing multiple benzimidazole- and quinoline-based photoswitches. This paved the way for the development of a promising photoswitchable azopyrazole-pyridostatin analog, whose biological evaluation is currently pending.

Die drei Neurotransmitter Serotonin, Norepinephrin und Dopamin spielen eine wichtige Rolle bei unseren Körperfunktionen. Ihre jeweiligen Transporter, SERT (Serotonin-Transporter), NET (Norepinephrin-Transporter) und DAT (Dopamin-Transporter), regulieren die Konzentration der Neurotransmitter im zentralen Nervensystem, indem sie die freigesetzten Botenstoffe aus dem synaptischen Spalt wieder aufnehmen und somit die Signalübertragung beenden. Die Monoamin-Transporter (MATs) sind verantwortlich für die Regulierung wichtiger neurologischer Prozesse wie Emotionen, Aufmerksamkeit, Appetit und Schlaf. Fehlfunktionen der MATs stehen mit Erkrankungen wie Depressionen, Epilepsie, Angststörungen, ADHS und Parkinson in Verbindung, was die Bedeutung eines tiefgehenden Verständnisses von SERT, NET und DAT für die Entwicklung neuartiger, selektiver Medikamente unterstreicht. G-Quadruplexe (G4s) sind sekundäre ®-Strukturen, die in guanin-reichen ®-Sequenzen gebildet werden und vermutlich genomische Funktionen wie Transkription und Genomstabilität beeinflussen. Aufgrund ihrer erhöhten Häufigkeit in präkanzerogenen Zellen im Vergleich zu gesunden Zellen, rückt Forschung an G4s immer mehr in den Fokus der Krebsbiologie.Während bioaktive Verbindungen weithin erfolgreich als therapeutische Wirkstoffe in der Pharmakotherapie eingesetzt werden, können sie aufgrund von unselektiver Aktivität auch unerwünschte Nebenwirkungen verursachen. Photopharmakologie hingegen ist ein wachsendes Forschungsgebiet, das Pharmakologie und Photochemie bioaktiver Verbindungen verbindet. Durch die Implementierung von photoswitchbaren Gruppen, sogenannten Photoswitches, in pharmakologisch aktive Substanzen ermöglicht die Photopharmakologie eine lichtinduzierte, hochpräzise zeitliche und räumliche Kontrolle verschiedener biologischer Zielstrukturen, einschließlich Transportern und ®.Im Zuge dieser Arbeit wurden der Transportmechanismus von SERT, die selektive Interaktion von psychoaktiven Substanzen mit SERT für therapeutische Zwecke und die lichtinduzierte Kontrolle von NET mithilfe von Photoswitches untersucht. Zusätzlich wurden die photochemischen Prozesse von Arylazopyrazolen detailliert erforscht und photoswitchbare Liganden für G4 ® synthetisiert, um die lichtgesteuerte Stabilisierung und Destabilisierung der sekundären ®-Struktur zu ermöglichen.Mehrere Cathinon- und Methcathinon-Derivative wurden synthetisiert und pharmakologisch auf ihre SERT-Selektivität getestet. Dabei wurde ein vielversprechender Kandidat mit hoher Selektivität für SERT für potenzielle therapeutische Anwendungen gefunden. Um den Transportmechanismus von SERT zu untersuchen, wurde eine homologe Reihe von Serotonin-Derivaten mit unterschiedlichen Seitenkettenlängen synthetisiert. Zuvor hatten Berechnungen vorhergesagt, dass die Länger der Seitenkette eine erhebliche Auswirkung auf die Bindung dieser Substrate in SERT haben könnte. Pharmakologische Studien mit den synthetisierten Substanzen haben dies bestätigt.Des Weiteren wurden umfassende rechnerische und experimentelle Untersuchungen des Z/E-Isomerisierungsmechanismus von Arylazopyrazolen durchgeführt, wodurch ein zuvor unterbewerteter Mechanismus zur thermischen Rückisomerisierung über einen Triplett-Zustands des Moleküls aufgedeckt und bestätigt wurde. Diese Entdeckung ist relevant für die Planung von Photoswitches mit maßgeschneiderten photophysikalischen Eigenschaften. Durch die Einführung einer photoswitchbaren Azo-Gruppe in die bekannte NET-selektive Verbindung Reboxetin, wurden die ersten photoswitchbaren Inhibitoren für NET synthetisiert und erfolgreich photopharmakologisch getestet. Des Weiteren wurden mehrere Benzimidazol- und Chinolin-basierte Photoswitches hergestellt und charakterisiert, um sie als potenzielle G4-Stabilisatoren zu nutzen. Dies ebnete den Weg für die Entwicklung eines vielversprechenden photoswitchbaren Azopyrazol-Pyridostatin-Analogons, dessen biologische Test derzeit noch ausstehen.