Méthyl

transférases de l'ADN:

DNMTs

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Développement d'inhibiteurs des méthyltransférases de l'ADN

L'épigénétique se définit comme étant l'étude des changements qui se produisent sur les chromosomes sans affecter la séquence de l'ADN et qui mènent à des phénotypes hériditaires. Ces changements consistent principalement en l'installation de marques épigéniques (groupements méthyle, acétyle, ubiquityle, sumoyle) sur les queues des histones (lysines, arginines) ou sur l'ADN. Ces transformations sont effectuées par des enzymes nommées writers. Les marques sont ensuite lues par des protéines nommées readers pour ainsi générer une réponse cellulaire. Lorsque la marque n'est plus nécessaire, celle-ci est retirée par des enzymes nommées erasers. Ces modifications épigénétiques permettent de modifier le niveau de compaction des gènes afin qu'ils soient accessibles (euchromatine) ou non accessibles pour la transcription (hétérochromatine). L'orchestration délicate et complexe des processus épigénétiques permet entre autre la régulation de fonctions cellulaires fondamentales telle que la différenciation cellulaire.

La méthylation de l'ADN est un processus épigénétique qui mène à l'installation d'un groupement méthyle CH3 en position C5 de l'ADN, principalement dans les régions appelées îlots CpG. Cette modification est répressive puisqu'elle mène au silençage de gènes méthylés en empêchant leur interaction avec les facteurs de transcription. Le recrutement de protéines MBD (Methyl Binding Domain proteins) contribue aussi au silençage des gènes méthylés.

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Quoique moins dynamique que la méthylation des queues d'histones, la méthylation de l'ADN est néanmoins réversible. Des enzymes nommées TET effectuent la déméthylation de l'ADN en oxydant le groupement CH3 en aldéhyde puis en acide carboxylique. L'équilibre en la méthylation et la déméthylation de l'ADN est important dans le maintien des fonctions cellulaires et joue un rôle particulièrement important dans la différenciation cellulaire.

Les méthyltransférases de l'ADN (DNMTs pour DNA Methyl Transferases) sont des enzymes épigénétiques de type writers qui catalysent la méthylation de l'ADN en transférant le groupement CH3 du SAM (S-adénosylméthionine) vers la cytosine pour produire la C5-Me-Cytosine sur l'ADN et le SAH (S-adénosylhomocystéine). Les DNMT3A et DNMT3B sont responsables de la méthylation de novo en installant les premiers goupements méthyles sur l'ADN non méthylé lors du développement de l'embryon. La DNMT3L (pour DNA3-like) ne possède pas de domaine catalytique mais joue un rôle important en s'associant aux DNMT3A et DNMT3B pour moduler leur activité. Finalement, la DNMT1 possède une meilleure affinité pour l'ADN hémiméthylé et est par conséquent responsable du maintien des patrons de méthylation lors de la division cellulaire. Le mécanisme de méthylation de la cytosine débute par l'attaque de la cystéine en position C6. L'attaque de l'espèce amino-énamine ainsi générée sur le CH3 du SAM suivi du retrait du H en C5 permet de produire la C5-Me-Cytosine et de regénérer la cystéine catalytique.

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Une surexpression des DNMTs ainsi qu'un dérèglement des patrons de méthylation menant à une hypométhylation globale et une hyperméthylation locale de certains gènes dont les gènes suppresseurs de tumeurs ont été observés dans plusieurs types de cancers. L'inhibition des DNMTs permet de réactiver les gènes silençés en empêchant le maintien des patrons de méthylation, démontrant la valeur des DNMTs comme cibles thérapeutiques.

Le vidaza et le dacogène sont les deux seuls médicaments commerciaux ciblant les DNMTs. Ces drogues n'inhibent pas directement les DNMTs mais fonctionnent plutôt par incorporation de leurs dérivés phophorylés dans l'ADN où elles vont ensuite piéger de façon irréversible la cystéine catalytique des DNMTs menant alors à leur dégradation. Toutefois, étant donné leur mécanisme d'action, ces composés montrent une cytotoxicité importante. De plus, dû à leur structure nucléosidique, ces médicaments possèdent des faibles temps de demi-vies ainsi que des mauvais profils pharmacocinétiques.

Vidaza et dacogen.tiff
Mechanism Vidaza and Dacogen.png

Quelques produits naturels ont démontré une capacité à inhiber les DNMTs et à réactiver les gènes épigénétiquement silençés dont les gènes suppresseurs de tumeurs. Toutefois, ces composés opèrent souvent par un mécanisme d'action indirect, non spécifique ou inconnu, en plus de posséder dans certains cas des fonctions non désirables en chimie médicinale. Ainsi, il existe un besoin important pour de petites molécules non nucléosidiques capables d'inhiber les DNMTs et possédant des propriétés biopharmaceutiques adéquates.

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Notre groupe a fait son entrée dans le domaine des DNMTs en 2013 en explorant le NSC319745, un composé rapporté comme un inhibiteur potentiel des DNMTs. La resynthèse de ce composé a permis de démontrer que lorsque pur, il ne possède pas d'activité contre les DNMTs. Des études de SAR ont mené au AK–I–85, un composé qui possède un IC50 de 36 uM contre la DNMT3A.

XRay NSC106084 et 14778.tiff

Par la suite, notre groupe a effectué la resynthèse du NSC106084 ainsi que du NSC14778 et a démontré que les composés purs resynthétisés ne possèdent pas d'activité contre les DNMTs. La structure de ces composés a été établie par diffraction de rayons-X sur des cristaux. Ces travaux sont importants car ils démontrent la difficulté reliée à l'identification de hits contre les DNMTs, la tendance des essais à générer des faux positifs, la nécessité de confirmer l'activité sur des hits purs resynthétisés et les variations qui existent entre les différents essais biochimiques.

Notre groupe travaille activement à développer de nouveaux inhibiteurs des DNMTs. Pour ce faire, nous avons établi des collaborations à travers le monde avec des experts dans les domaines de la biochimie, de la RMN et de la chimie computationnelle. Notre approche se base sur différentes techniques telles que la resynthèse de hits de la littérature, le docking, le criblage par RMN et le design rationnel.