• Keine Ergebnisse gefunden

DNA polymerases as drug targets

3) DNA polymerases as drug targets  3.1) General 

As foreshadowed in previous chapters, DNA replication serves not only as a target for  answering chemical genetic issues, but has been tried and tested for decades as prominent  target for life‐saving medicines. Numerous pathological states, like cancer, autoimmune  disease, and many bacterial and viral infections can be traced back to uncontrolled DNA  metabolism.15‐17,20,37,51,70,79

 For that reason, it is one of modern medicine's top priorities to  combat those diseases with novel and innovative drugs. If one wants to specifically interfere  in  DNA  metabolism,  DNA  polymerases  of  humans,  animals,  viruses,  and  bacteria  are  potential key drug targets, which are responsible for the correct synthesis and repair of the  genetic code (see also chapter 2).15‐17,37,41,53,57,80

 Due to the fact, that DNA polymerases share  a similar 3D‐structure, and reaction mechanism to synthesise DNA, it is very challenging to  address a drug molecule for a particular enzyme of interest (see also chapter 2.2). However,  if the drug has a poor selectivity in its mode of action, the therapy is limited and inevitably  associated with severe side effects. Current medicines employed to target the metabolism of  DNA often induce DNA damage (see also Figure 5, and chapter 2.3),70 influence the dNTP  pool, that is provided for DNA synthesis by the cell, or inhibit the enzymatic synthesis of  DNA.41  For  the  last‐mentioned  therapeutic  strategy,  which  is  relevant  for  this  work,  nucleoside analogs are a frequently used type of drug. Nucleosides, that are able to enter a  cell (Figure 6, see also chapter 5.1), function as so called “prodrugs”, which have to be  transformed by specific cellular nucleoside kinases to the actual enzyme substrate analogue; 

the  nucleoside‐5`‐triphosphates.20,41  Nucleoside‐5`‐triphosphates  derivatives  that  are  not/hardly able to enter cells cause often complications. In order to be effective, they have  to compete with the natural dNTP substrate pool for the active site of the DNA polymerase  target.20,41  On  this  account,  the  respective  nucleosides  must  be  administered  in  high 

concentrations to be effective, which can result in turn in selectivity and drug resistance  problems.20,41 An additional disadvantage  is, that nucleotide analogues and  nucleoside‐ 

5`‐triphosphates can also be utilized, modified, or degraded by a multiplicity of cellular  pathways or other enzymes.13,15,17,20,37,42,70,74,79,81

 Thus, in developing nucleoside analogues, it  is  necessary  to  investigate  not  only  the  optimisation  of  their  interaction  with  DNA  polymerases, but also their ability to be transformed to the 5`‐triphosphates without being  degraded or showing serious side effects.20 

 

 

Figure 6. Chemical structures of approved modified nucleoside analogues. (A) Current antiviral drugs (see also  chapter 5.1). (B) Currant anticancer drugs. Figure was adapted from literature 20,41

 

To address these problems and other issues, it is an ongoing concern to develop innovative  therapeutic approaches and novel drugs.88‐91 In the following, some for this work relevant  examples and perspectives are given.  

One current option to open up the way for novel drugs and nucleoside analogues is, for  example, to study certain structural features of various known molecules. Afterwards, the  interesting features are fused together in one novel drug‐like molecule, bearing all desired  properties (see also chapter 5.1).  

Other research approaches proceed towards the development of non nucleosidic small‐

molecule inhibitors, which act on the activity of a respective DNA polymerase. Thereby, the 

small‐molecule could act directly on the active site of the enzyme, induce conformational  changes in further protein domains (e.g. finger or thumb domain) to act indirectly on the  enzymes`  activity,  or  block  protein‐protein  interactions  that  are  important  for  the  processivity.12,13,20,41,92‐94

  In  general,  small‐molecule  DNA  polymerase  inhibitors  have  important advantages over substrate analogues. They are ideally suited to tune for a high  target  selectivity,  they  are  capable  to  enter  a  cell  and  do  not  require  intercellular  activation.13,20,41  

Many chemotherapeutic regimes in use depend at least in part on the artificial induction of  DNA damage. The clinical efficacy of anticancer drugs is often reduced by cellular DNA repair  mechanisms.15‐17,20,37,51,70,78,79 Consequently, specialized DNA polymerases are discussed as  promising  future  drug  targets,  to  reduce  the  dosage  of  DNA‐damaging  agents  while  improving their activity via inhibition of their respective DNA repair pathways (see also  chapter 4).17,37,51,70,78,79 

 

3.2) Screening methods for DNA polymerase inhibitors 

In the preceding chapters it was described in detail, that there is a great demand for novel  DNA polymerases inhibitors in basic as well as in the applied sciences. The discovery process  of novel agents against a chosen protein target usually involves high‐throughput screening  (HTS) or high‐content screening (HCS) techniques, wherein large compound libraries are  screened for the desired effect (see also chapter 1).95 Apart from emerging in silico based  methods20,96‐101, one needs for such large‐scale screening campaigns automated, robust,  reliable, and cheap in vitro assays.95 DNA polymerase inhibitors generally exert their effects  through interference with  the  enzyme and/or cofactors,  or  the  direct interaction with 

DNA.102 While there is no simple way to study DNA replication in vitro, the world‐renowned 

polymerase chain reaction (PCR) is an ideally suited enzyme assay, which involves a similar  set of DNA replication transactions.103‐105 Classic PCR and the respective electrophoresis  techniques104,105 have been applied previously for the in vitro discovery and characterisation  of  several  inhibitors  of  thermostable  DNA  polymerases.103,106‐110  However,  to  screen  thousands of molecules, the modern real‐time PCR is considerably more favourable, and  hundreds of in vitro reactions could be screened in parallel.111,112 Real‐time PCR instruments  are able to monitor the concentration of the arising dsDNA products in multi‐well formats by 

measuring for example the emission of sequence‐specific fluorescent oligonucleotide probes  or fluorogenic dsDNA binders like SYBR® Green I.111  

Because  the  common  mammalian,  viral,  and  bacterial  target  DNA  polymerases  are  thermolabile,  these  proteins  are  not  applicable  for  modern  PCR  and  other  screening  methods are required that can be performed at moderate temperatures.  

The primer extension reaction (PEX) is an effective and useful way to explore thermolabile  and  thermostable  DNA  polymerases  in the  laboratory.43,44,75,76,113‐119

 To  study the  DNA  template  dependent  DNA  polymerization  function,  a  short  radioactive  or  fluorescence  labeled DNA  primer  strand gets  annealed  to a longer DNA template  strand,  and  gets  elongated by enzymatic dNMP incorporation (Figure 7A). Noteworthy, to analyze TdT enzyme  activities the reaction is performed without the template strand and  is named single‐

stranded  PEX.59,60,120  However,  after  a  defined  period  of  time,  the  PEX  reactions  are  quenched  and  quantitatively  analyzed  via  polyacrylamide  gel  electrophoresis  (PAGE)  (Figure 7A).  

 

 

Figure 7. Generally applicable radioactive PEX assays to characterize and screen small‐molecule inhibitors of  thermolabile DNA polymerases (A) Principle of the radioactive PEX assay to analyze the effect of an inhibitor  on the DNA template‐dependent polymerisation function of respective DNA polymerase.75,76 (B) Assay  scheme for inhibitor screening via the scintillation method. DNA polymerase polymerizes isotopic phosphate 

labelled  dNMPs.  The  exact  amount  of  formed  radioactive  DNA  can  be  determined  by  scintillation  measurements. 

 

Another common technique to analyse the PEX reaction mixtures is the scintillation method. 

Therefore,  the  reaction is  performed with an unlabelled primer template‐complex and  isotopic labelled dNTPs as enzyme substrates. After the reaction, the radioactivity of the  novel synthesized DNA is quantitatively measured by scintillation (Figure 7B).120‐125 

So far, both PEX methods were implemented for the screening and characterisation of  inhibitors,75,76,100,120,124,126,127

 but to screen huge compound libraries, PAGE analytics and  accordingly  the  usage  of  radioactive  reagents  is  not  practicable.  Therefore,  novel  automatable assay readouts and the respective tailor‐made reagents were evolved. As a first  excellent example, Summerer et al. developed a Förster Resonance Energy Transfer (FRET)‐

based assay format that translates the proceeding DNA synthesis into a fluorescent signal in  real‐time (Figure 8A).128,129 The fluorescence signal is generated by the DNA polymerase  triggering opening of a molecular beacon, by extension of the primer strand.128,129 The  resulting distance alteration is reported by FRET between two dyes introduced into the  molecular beacon stem and enables the quantitative characterization of inhibitors.128,129  Recently, the elegant real‐time strategy was adopted from others130 and successfully utilised  in  a  further  developed  fashion  for  screening  campaigns  of  human  DNA  polymerases  (Figure 8B).131‐133  

 

 

Figure 8. Screening for inhibitors via real‐time FRET methods. (A) The template probe labelled with donor  (grey) and acceptor (brown) has hairpin extension in closed conformation before start of reaction. While  extension proceeds, the DNA polymerase (blue) opens the stem and prevents re‐annealing by DNA duplex  formation. The increase in the distance between the two labels is reported by restoration of donor emission. 

Figure was adapted from literature 128,129(B) Strand displacement DNA synthesis assay. DNA polymerase  incorporates dNTP thereby extending the primer strand and displacing the downstream reporter strand  labelled with 3`‐fluorophore donor, leading to an increased fluorescence signal. Figure was adapted from  literature 131‐133

To access continuous FRET‐based PEX assays, some researchers focused on the enzymatic  turnover of fluorescently labled dUTP substrates. For that reason, Cauchon et al. desined a  primer‐template  complex,  that  was  labelled  at  the 5`‐template‐terminus  with  a  donor  fluorophore.134 Polymerisation mediated by incubation with a DNA polymerase, dNTPs, and  an acceptor labeled dUTP juxtaposes the donor‐acceptor pairs, resulting in donor quenching  (Figure 9A).134 On the other hand, Krebs et al. reported an FRET assay that quantifies the  incorporation of complementary pairs of fluorescently labeled dUMP into the DNA product,  and taking advantage, that the dye‐conjugated dNTP pairs in solution do not interact to  produce a FRET signal (Figure 9B).135  

 

 

Figure 9. Screening for inhibitors using fluorescently labled dUTP substrates. (A) The substrate is short  DNA/DNA primer/template. The template strand is labelled with donor fluorophore (grey). Polymerization  mediated by incubation with DNA polymerase (blue), dNTP, and an acceptor‐labelled dUTP (brown) juxtaposes  the donor‐acceptor pairs, resulting in donor quenching. Figure was adapted from literature 134(B) Dye‐

conjugated nucleotide pairs in solution do not interact to produce a FRET signal. DNA polymerase incorporates  the dye‐nucleotides into the DNA. The close proximity of the two dyes in the polymer allows interaction  between the dyes causing the generation of a FRET signal proportional to the amount of DNA produced in the  sample. Figure was adapted from literature 135

 

Other interesting examples amenable to automation are fluorometric PEX techniques that  monitor  the concentration  of  the arising dsDNA  products.75,136‐138  The increase  of  the  fluorescence signal caused by PicoGreen™136 or SYBR® Green I75,137,138 emitting upon binding  to dsDNA was investigated as a fast readout for DNA polymerase activity (Figure 10). PEX  resulted in high concentrations of dsDNA when the respective DNA polymerase was not  inhibited.75,137,138 On the contrary, when the enzyme was inhibited, the primer was not  extended and the fluorescence signal was low in relation to control reactions.75 Using that  simple and economical method, diverse compound libraries were screened and potential 

inhibitors of bacterial139 and human75 DNA polymerases were identified (Figure 10, see also  chapter 4.1). Recently, Dallmann et al. extended the scope of this readout and established an  in  vitro  assay  for  the  parallel  multiplicative  target  HTS  against  divergent  bacterial  replicases.140  

 

 

Figure 10. Principle of the SYBR® Green I (stars) ‐ based HCS assay.75  

 

Of note, a possible approach could also be the measurement of the arising pyrophosphates  ions (PPi) that are produced by enzymatic dNTP consumtion (see also Figure 2). Reportedly,  PPi release of DNA polymerases was investigated in real‐time for instance by different  colorimetric and/or enzyme coupled assays.141‐143 

In the recent years, DNA arrayed ultra‐HTS formats for PEX reactions were developed. 

Interestingly, these systems are time and cost efficient, and require only minimal amounts of  reagents. DNA arrays are based on the spatial separation of on a surfaces immobilized or  covalently bound primers.20,53,119,144 The enzymes, templates, screening compounds, buffers,  and natural as well as labelled (e.g. radioactive or fluorescent) dNTP substrates can also be  applied with spatial separation to perform the PEX reactions.53,119,144 After the reaction, the  surfaces are washed several times  ‐ whereas the primers remain  ‐ and can be analysed by  phosphor imaging144 or fluorescents measurements53,119, (Figure 11). By employment of this  time and cost efficient concepts, Boudsocq et al. could identify a variety of natural products  that inhibit the BER enzyme pol β.53 

 

 

Figure 11. Principle of DNA arrayed HTS format ‐ using fluorescently labelled dNTP substrates. 

 

As one can see in this overview, many automatable techniques to screen DNA polymerase  inhibitors are established and are ready for their application to screen the chemical space. 

These methods have indeed the potential to discover novel interesting molecules that not  only might be of great value for basic science but also may open up novel avenues for the  treatment of diseases related to genome integrity. 

Concepts and objectives 

The survival and development of each organism relies on the equal distribution of its  genome during cell division. DNA polymerases are key enzymes to pass the exact genomic  information down generations.15,17,20,22

 In the last decades several novel DNA polymerases  were  discovered,  and  so,  at  least  15  different  human  DNA  polymerases  are  known  today.15,17,20,22

 Features of some of these enzymes are known, but to understand in depth the  task of a particular enzyme stills await clarification in the majority of the cases. For that  reason, there is a great demand for appropriate methods and molecular tools to dissect the  respective biological functions of DNA polymerases.  

The aim of this work (chapter 4) deals with the discovery and development of tailored small‐

molecule probes in order to gain insights into the functions of human pol λ and β. In previous  surveys several small‐molecule inhibitors of pol λ and few moderate inhibitors of pol β were  discovered.75,76 Importantly, the rhodanine‐based compounds were the most active inhibitor  class and some of them could even discriminate between the highly homologous pol λ and  β.75,76 Due to this facts, the rhodanine‐based small‐molecules were seen as an appropriate  starting  point  for  the  development  of  molecular  probes to  specifically  investigate  the  biological functions of pol λ and  β.75,76 For this purpose, systematic synthetic optimization  should be undertaken in order to further expand the chemical diversity and to find novel and  more potent small‐molecule inhibitors of pol λ and β. The most promising inhibitors of the  first and second generation should be further investigated enzymatically and should be  evaluated in comparison to reference inhibitors. Out of the generated in virto data extensive  SAR should be established and discussed in detail. With the aim to further develop the  molecular probes in a cellular context, the probes should be explored on different human cell  lines. Afterwards, the suited molecular probes should be investigated in proof‐of‐concept  studies to specifically target the pol λ and β in their respective biological pathways. 

In addition, DNA polymerases serve not only as a target for molecular probes to dissect their  biological functions, but have been tried and tested for decades as prominent target for life‐

saving  medicines.15,17,20,22,37,41

  In  the  last  decades,  4’‐C‐modified  nucleoside  analogues  aroused scientific interest, because a couple of derivatives of this interesting compound class  showed antiviral activity145‐153, even against multi‐drug resistant pathogens.146,154 Because 

there is a great demand for the development of drugs and consequently also for novel  nucleoside analogues, novel potentially antiviral 4’‐C‐modified nucleoside analogues should  be designed and developed in the second part of this work (chapter 5). Therefore, the  molecular features of 4’‐C‐modified nucleosides and other pharmacologically interesting  nucleoside  analogues  should  be  fused  together  into  one  inventive  small‐molecule. 

Afterwards, the synthetic route for these innovative analogues and their versatile synthetic  building blocks should be developed and performed. 

Results and discussions 

4) Small‐molecule inhibitors of human pol λ and pol β