Synthesis of conjugates of porphyrins and di-aromatic guanidines as ligands for guanine-quadruplexes

Abstract

Depending on its primary structure, different secondary structures are possible in DNA, besides the abundant right-handed B double helix that relies on Watson-Crick base pairing. Via Hoogsteen base pairing hydrogen bonds between four guanines (G) can form a G-tetrad. If at least three of these G-tetrads are stacking on top of each other, stabilized through π-stacking interactions, guanine quadruplexes (G4s) emerge as alternative secondary structures of DNA. They differ in their topology, depending on the sequences responsible for their formation and they are not randomly distributed throughout the genome, but seem to fulfil specific functions.Motifs capable of forming G4s can be found in telomeric DNA regulating telomerase activity and hence, genome integrity and apoptosis, as well as in 5’ upstream promotor regions of various known oncogenes such as c-Kit, c-Myc or B-Raf. Overexpression of these genes and upregulated telomerase activity are often linked to uncontrolled cell division and cancer. Thus, compounds specifically interacting and stabilizing G4s could be considered promising drug candidates due to their ability to influence telomerase activity and oncogene expression. Additionally, the development of fluorescence probes is of great importance to deepen the understanding of G4s in healthy cells and diseases. Differentiating between G4 topologies could then be achieved in the context of diagnostic and therapeutic applications.In a previous collaboration between the Rozas group (Trinity College Dublin and the Senge group (Trinity College Dublin) computational studies of the G4-forming motif found in the proto-oncogene promotor region of c-Kit2 were conducted. A novel promising compound class arose, combining porphyrin cores responsible for π-stacking interactions connected to di-aromatic cationic guanidines via semi-flexible amidinourea-“linkers” interacting with grooves of the G4s. Biophysical studies of these conjugates not only showed significant selectivity towards G4s over double stranded DNA (dsDNA) but even between different G4s.Based on these results, the semi-flexible conjugates should be investigated further. For this purpose, a novel synthetic pathway was pursued, and reaction conditions were optimized to reduce reaction times and increase yields, making these compounds more accessible. Additionally, more flexible conjugates containing a di-alkyl ether-“linker” have been designed, using computational methods, and a route for their synthesis was explored.

Abhängig von der Primärstruktur sind in der DNA neben der reichlich vorhandenen, rechtshändigen B-Doppelhelix, die auf der Watson-Crick-Basenpaarung beruht, unterschiedliche Sekundärstrukturen möglich. Über Hoogsteen-Basenpaare können Wasserstoffbrücken zwischen vier Guaninen (G) eine G-Tetrade bilden. Werden mindestens drei dieser G-Tetraden übereinandergestapelt und durch π-stacking stabilisiert, entstehen Guanin-Quadruplexe (G4s) als alternative Sekundärstrukturen der DNA. Sie unterscheiden sich in ihrer Topologie, abhängig von den Sequenzen, die für ihre Bildung verantwortlich sind, und sind nicht zufällig im Genom verteilt, sondern scheinen bestimmte Funktionen zu erfüllen.Motive, die G4s bilden können, finden sich in telomerer DNA, in der sie Telomerase-Aktivität und damit die Unversehrtheit des Genoms und Apoptose regulieren, sowie in 5'-Upstream-Promotorregionen verschiedener bekannter Onkogene wie c-Kit, c-Myc oder B-Raf. Die Überexpression dieser Gene und hochregulierte Telomerase-Aktivität sind häufig mit unkontrollierter Zellteilung und Krebs verbunden. Daher sind Verbindungen, die spezifisch mit G4s interagieren und diese stabilisieren, vielversprechende Kandidaten für Medikamente, da sie Telomerase-Aktivität und Onkogen-Transkription beeinflussen können. Darüber hinaus ist die Entwicklung von Fluoreszenzsonden von großer Bedeutung, um das Verständnis der Funktion von G4s in gesunden Zellen und Krankheiten zu vertiefen. Aufgrund der unterschiedlichen Topologien verschiedener G4s könnte eine Unterscheidung zwischen ihnen sowohl für diagnostische als auch für therapeutische Anwendungen erreicht werden.In einer früheren Kollaboration zwischen der Rozas-Gruppe (Trinity College Dublin) und der Senge-Gruppe (Trinity College Dublin) wurden Computerstudien des G4s in der Proto-Onkogen-Promotorregion von c-Kit2 durchgeführt. Es entstand eine neue, vielversprechende Verbindungsklasse, in der Porphyrine, verantwortlich für π-stacking Wechselwirkungen, durch semi-flexible Amidoharnstoff-„Linker“ mit di-aromatischen, kationischen Guanidinen verbunden sind. Biophysikalische Studien dieser Konjugate zeigten nicht nur eine signifikante Selektivität für G4s im Vergleich zu doppelsträngiger DNA (dsDNA), sondern auch Selektivität zwischen unterschiedlichen G4s.Basierend auf diesen Ergebnissen sollten die semi-flexiblen Konjugate weiter untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Syntheseweg entwickelt und die Reaktionsbedingungen optimiert, um die Reaktionszeiten zu verkürzen und die Ausbeuten zu erhöhen, wodurch diese Verbindungen leichter zugänglich wurden. Zusätzlich wurden flexiblere Konjugate, die einen di-Alkylether-„Linker“ enthalten, durch Computer-Modelle entworfen und ein Weg für ihre Synthese erforscht.