De novo development of novel DM1 toxic ncRNA targeting small molecules and its biological evaluation

Abstract

La distròfia miotònica de tipus 1 (DM1) és un trastorn neuromuscular incurable causat per les transcripcions tòxiques del gen DMPK. Aquests transcrits porten expansions de repeticions CUG a les regions no traduïdes 3′ (3′UTR). La complexitat intrínseca i la falta de dades cristal·logràfiques fan que les regions d'ARN no codificant siguin objectius difícils d'estudiar en el camp del desenvolupament de nous fàrmacs. En el cas de la DM1, els transcrits tòxics tendeixen a estancar-se a l'interior dels nuclis formant complexos cossos d'inclusió anomenats foci i segrestant molts factors de splicing alternatiu essencials com el Muscleblind-like 1 (MBNL1). La majoria de les característiques fenotípiques de la DM1 es deriven de la reduïda disponibilitat de MBNL1 lliure, per la qual cosa molts esforços terapèutics es centren en recuperar la seva activitat regular. Per a això, en la present tesi, decidim utilitzar com a diana terapèutica l'ARN CUG, amb la finalitat d'alliberar MBNL1. Pel que respecta al disseny de noves estructures, es descriu el cribratge in-silico mitjançant tècniques de disseny de fàrmacs basades en estructura usant dues premisses diferents d'abordar CUG. A més, es desenvolupen vies sintètiques per als candidats seleccionats basades en química clic. Finalment, per a avaluar la seva activitat biològica, es posa a punt un assaig bioquímic ja descrit, i s'utilitzen models cel·lulars i cèl·lules musculars derivades de pacients per a avaluar els candidats més prometedors. Els resultats obtinguts poden conduir a posteriors generacions de lligands, posant de manifest un nou tractament assequible contra la DM1.

La distrofia miotónica de tipo 1 (DM1) es un trastorno neuromuscular incurable causado por las transcripciones tóxicas del gen DMPK. Estos transcritos llevan expansiones de repeticiones CUG en las regiones no traducidas 3′ (3′UTR). La complejidad intrínseca y la falta de datos cristalográficos hacen que las regiones de ARN no codificante sean objetivos difíciles de estudiar en el campo del desarrollo de nuevos fármacos. En la DM1, los transcritos tóxicos tienden a estancarse en el interior de los núcleos formando complejos cuerpos de inclusión llamados foci y secuestrando muchos factores de splicing alternativo esenciales como el Muscleblind-like 1 (MBNL1). La mayoría de las características fenotípicas de la DM1 se derivan de la reducida disponibilidad de MBNL1 libre, por lo que muchos esfuerzos terapéuticos se centran en recuperar su actividad regular. Para ello, en la presente tesis, decidimos utilizar como diana terapéutica el ARN CUG, con el fin de liberar MBNL1. Por lo que respecta al diseño de nuevas estructuras, se describe el cribado in-silico mediante técnicas de diseño de fármacos basadas en estructura usando dos premisas diferentes de abordar CUG. Además, se desarrollan vías sintéticas para los candidatos seleccionados basadas en química click. Por último, para evaluar su actividad biológica, se pone a punto un ensayo bioquímico ya descrito, y se utilizan modelos celulares y células musculares derivadas de pacientes para evaluar los candidatos más prometedores. Los resultados obtenidos pueden conducir a posteriores generaciones de ligandos, poniendo de manifiesto un nuevo tratamiento asequible contra la DM1.

Myotonic Dystrophy type 1 (DM1) is an incurable neuromuscular disorder caused by toxic DMPK transcripts that carry CUG repeat expansions in the 3′ untranslated regions (3′UTR). The intrinsic complexity and lack of crystallographic data make noncoding RNA regions challenging targets to study in the field of drug discovery. In DM1, toxic transcripts tend to stall in the nuclei forming complex inclusion bodies called foci and sequestering many essential alternative splicing factors such as Muscleblind-like 1 (MBNL1). Most DM1 phenotypic features stem from the reduced availability of free MBNL1, and therefore many therapeutic efforts are focused on recovering its regular activity. For that purpose, in the present thesis, we decide to target CUG RNA to free MBNL1. The in-silico screening using structure-based drug design techniques of novel candidates based on two different approaches is described. Furthermore, synthetic pathways are developed for the selected candidates based on the click chemistry approach. Finally, to assess their biological activity, an already described biochemical test is tuned, and cellular models and patient-derived muscular cells are used to evaluate the most promising candidates. The obtained results may lead to subsequent generations of ligands, highlighting a new affordable treatment against DM1.