Synthesis of small-molecule probes for chemical biology

Mgr. Lukáš Maier, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato dizertační práce je zameřena zejména na syntézu nových karbocyklických nukleosidových analogů. V úvodu práce jsou stručně popsány principy a nástroje chemické biologie a detailněji shrnuty poznatky v oblasti struktury, biologické aktivity a syntézy nukleosidových analogů. První část je věnována syntéze dosud nepopsaných karbocyklických nukleosidových analogů pseudoisocytidinu. Pseudoisocytidin, patřící mezi C-nukleosidy, vykazuje významnou inhibiční aktivitu vůči cytarabin-rezistentním buněčným leukemickým liniím. Jeho hepatotoxicita, jejíž příčiny dosud nejsou objasněny, ale znemožnila detailnější klinické studie. Metabolická degradace pseudoisocytidinu in vivo může být příčinou jeho nežádoucí toxicity. Jeho přímý karbocyklický analog, vzniklý náhradou cukerné časti za cyklopentan, může být chemicky i metabolicky více stabilní. Ve 13 lineárnich syntetických krocích jsme připravili tři karbocycklické analogy pseudoisocytidinu. V této části je také zahrnuta syntéza cyklopentanonového intermediátu, který byl použit pro přípravu nového typu karbocyklického C-nukleosidu nesoucí terciární -OH skupinu v poloze 1´. Úspěšná příprava této molekuly vedla k vývoji flexibilnější a obecnější syntetické metodologie, která je detailněji diskutována v druhé části dizertační práce. Syntéza cyklopentanonových intermediátů je podrobně popsána v druhé části. Volba chránících skupin a jejich kombinace se ukázala jako klíčový faktor při syntéze samotných cyklopentanonových intermediátů i při jejich následné konverzi na požadované cílové sloučeniny. Námi vyvinutá diastereoselektivní metodologie umožňuje přípravu nových karbocyklických analogů s definovanou stereochemii v pozici C-1´. Metodologie navíc umožňuje selektivní manipulaci s pozicemi 1´-, 2´- a 5´-. Aspekty, výhody a nevýhody naší metodologie jsou demonstrovány na příkladech konkrétních syntéz jednotlivých karbocyklických nukleosidových analogů obsahujících pyrimidinové i purinové typy bází. Třetí část je věnována syntéze fluorescentních sond pro studium haloalkan dehalogenas. Fluorescentně modifikované chloroalkany byly použity jako substráty pro enzymatickou dehalogenaci. Jejich interakce s dvěma typy haloalkan dehalogenas byla studována pomocí fluorescentních technik.

Abstract:

My Ph.D thesis is focused particularly on the synthesis of new carbocyclic C-nucleosides. This topic is divided into two individual parts. First part deals with the synthesis of direct analogs of pseudoisocytidine. Pseudoisocytidine was shown to be active against cytarabine-resistant leukemias, but its clinical progression had to be halted due to hepatotoxicity of uknown origin. We carried out replacement of the sugar moiety by the cyclopentane core and synthesized carbocyclic pseudoisocytidine and its oxygen and sulfur analogs in 13 linear steps via -ketoester intermediate. This project also included preparation of properly substituted cyclopentanone intermediate and its conversion into a new carbocyclic C-nucleoside bearing tertiary hydroxyl group at 1’-position. This served as a starting point for the development of more flexible synthetic route that would allow synthesis of various carbocyclic C-nucleoside analogs, covered in the second part. The second part describes synthesis of key cyclopentanone intermediates. Proper choice of protecting groups proved to be crucial for successful synthesis of the cyclopentanone precursor and its subsequent conversion into the desired target compounds. We developed methodology that enables orthogonal manipulation of 1´-, 2´-, and 5´-positions of the cyclopentane core. In addition, the synthesis is highly diastereoselective and can produce both classes with alternative stereochemistry at 1´-position. The scope and limitations of the methodology is demonstrated by the synthesis of selected carbocyclic C-nucleosides containing pyrimidine and purine bases and their isosteres. The last part of the thesis describes synthesis of small-molecule fluorescent probes and their application in the studies of haloalkane dehalogenases. The probes contain properly substituted naphthalene-based chromophore plus linkers of variable length that enabled covalent interaction with the enzymes. These probes were used to study the behavior of haloalkane dehalogenases by time-dependent fluorescence techniques.

Keywords

chemical biology, small-molecule probes, nucleosides, nucleoside analogs, pseudoisocytidine, tubercidine, fluorescent probes, naphthalene chromophore, diastereoselective organic synthesis, NMR spectroscopy, biological activity chemická biologie, nízkomolekulární sondy, nukleosidy, nukleosidové analogy, pseudoisocytidin, tubercidin, fluorescentní sondy, naftalenové chromofory, diastereoselektivní organická syntéza, NMR spektroskopie, biologická aktivita

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 10. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 4. 11. 2014
• Supervisor: doc. Mgr. Kamil Paruch, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Milan Pour, PhD., prof. Ing. Milan Hocek, PhD., DSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Organic Chemistry