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Targeting JumonjiC-domain histone demethylases with small molecules
Laura Brückner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Betreuer*in
Christian Seiser
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30465.54970.831661-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Lysin mono-, di- und trimethylierung von Histon-Schwänzen spielt eine wichtige Rolle in Genregulierung
und epigenetischem Gedächtnis. Diese Markierungen werden von einer Gruppe von
Histon Demethylasen entfernt die eine katalytische JumonjiC-Domäne besitzen. Die sieben
Subklassen dieser Gruppe von Enzymen demethylieren spezifisch bestimmte Histon Lysin Residuen.
Inhibitoren die selektiv für einzelne Subklassen sind könnten daher eingesetzt werden um
die Rolle und Vererbbarkeit dieser Modifikationen in vivo zu erforschen aber soweit sind nur
für Studien einsetzbare Substanzen verfügbar die größtenteils unspezifisch agieren. Da mehrere
JumonjiC-domain Histon Demethylasen stark mit Krebs assoziiert sind oder eine kausale Rolle
in Malignität spielen könnten Inhibitoren als zukünftige epigenetische Pharmazeutika in der
Klinik eingesetzt werden.
Um Einblick zu erhalten in strukturelle Determinanten von Molekülen die Spezifizität erhöhen
wurde eine Auswahl von publizierten Inhibitoren mit drei JumonjiC-domain Histon Demethylasen
biochemisch charakterisiert: JARID1C, JMJD2C und UTX. Die Inhibitoren zeigten
erstaunliche Selektivität je nach Substanzklasse und konnten anhand von Kompetition mit den
Kofaktoren Fe(II) und alpha-ketoglutarat kategorisiert werden. Krebs Zellinien KBM7, KYSE-
150 und HEK293T waren unterschiedlich sensitiv für Behandlung mit diesen Inhibitoren. Für
ausgewählte Substanzen konnte die Enzympräferenz anhand von molekularem Modelling erklärt
werden. Effekte auf zelluläre Histon Methylierungslevels wurde gezeigt.
Neuentdeckte Histon Demethylase Inhibitoren die in Hochdurchsatzscreening identifiziert wurden,
wurden ebenfalls entsprechend charakterisiert. Diese Substanzen zeigten größtenteils Fe(II)-
aber nicht alpha-ketoglutarate-kompetitives Verhalten was auf eine Eisen-chelierende oder -
oxidierende Funktion schließen lässt die die Inhibitorfunktion erklärt. Zwei Compounds wurden biochemisch als hochpotente Inhibitoren identifiziert. Beide zeigten nichtselektive
Inhibition im nanomolaren Bereich und erhöhten zelluläre Histon Methylierung.
Für eine Substanz wurde der Zusammenhang zwischen Struktur und Aktivität anhand von mehreren
Derivaten bestimmt um spezifischere Substanzen zu finden oder Mögliche Residuen an die
Linker für Chemical Proteomics addiert werden können.
Um Einblick in zelluläre Resistenzmechanismen zu erhalten wurden Screens für Genfunktionsverlust
mit Histon Demethylase Inhibitoren durchgeführt. Gefunden wurde ein Protein das in Chromatinregulation involviert ist. Assays für Zellviabilität mit knockout oder knockdown
Zellinien konnten nicht Resistenz rekapitulieren aber ein kompletter Verlust
des Genprodukts könnte nötig sein um einen sichtbaren Effekt zu erzielen.
In Zusammenfassung zeigt diese Studie zukünftige Richtungen für Entwicklung und Verbesserung
von Histon Demethylase Inhibitoren auf um Spezifizität für Subklassen zu erreichen.
Weitere Experimente werden vorgeschlagen um die zellulären Effekte dieser Substanzen noch
detaillierter aufzuklären.
Abstract
(Englisch)
Lysine mono-, di- or trimethylation on histone tails plays an important role in gene regulation
and epigenetic memory. These marks are removed by a group of histone demethylases which
harbor a catalytic JumonjiC-domain. The seven subclasses of this enzyme group specifically
target distinct histone lysine residues. Subclass-specific small molecule inhibitors could therefore
be used to study the role and heritability of these modifications in vivo but to date only
tool compounds are available which are mostly non-specific. As several JumonjiC-domain histone
demethylases have been strongly associated with cancer or identified as causal players in
malignancy, inhibitors could also be future epigenetic drugs for clinical use.
In order to gain insight in compound structural features to increase target specificity, a set
of available inhibitors was characterized biochemically with a panel of three JumonjiC-domain
histone demethylases: JARID1C, JMJD2C and UTX. Inhibitors showed surprising selectivity
depending on compound class and could be categorized according to competition with cofactors
Fe(II) and alpha-ketoglutarate. In treatment of cancer cell lines KBM7, KYSE-150 and
HEK293T, inhibitors showed potency differences in toxicity. For selected compounds, target
preference was explained by molecular modelling and effect on cellular histone methylation
levels was shown.
Novel histone demethylase inhibitors identified by high-throughput screening were characterized
accordingly. Structures included hormone noradrenaline and antibiotic lomofungin. These compounds
showed largely Fe(II)- but not alpha-ketoglutarate-competitive behavior which points
towards an iron-chelating or oxidizing function explaining the inhibitory property. Two compounds were found to be highly potent biochemical inhibitors. Both
showed nonselective inhibition in the nanomolar range and increased cellular histone methylation
levels.
For one compound, structure-activity relationship was determined for several analogues in order to
identify more specific compounds or linker attachment sites for chemical proteomics.
To elucidate cellular resistance mechanisms, loss of function screens with histone demethylase
inhibitors were performed. Hits included a protein involved in chromatin regulation.
Viability assays with knockout or knockdown cell lines could not recapitulate resistance
but full removal of gene product might be needed for a visible effect.
Taken together, this study shows future directions for design and improvement of histone
demethylase inhibitors to achieve subclass-specificity. Further experiments are proposed to
elucidate the cellular effects of these compounds in more detail.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
histone demethylases JumonjiC-domain epigenetics small molecule inhibitors histone lysine methylation
Schlagwörter
(Deutsch)
Histon Demethylasen JumonjiC-Domäne Epigenetik Inhibitor Histon Lysin Methylierung
Autor*innen
Laura Brückner
Haupttitel (Englisch)
Targeting JumonjiC-domain histone demethylases with small molecules
Publikationsjahr
2013
Umfangsangabe
118 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christian Seiser
Klassifikation
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie
AC Nummer
AC11046559
Utheses ID
26454
Studienkennzahl
UA | 066 | 834 | |