Targeting Des1: Syntheses of ceramide analogues with a rigid scaffold, inhibitory assays, and AF2-assisted structural insights reveal PR280 as a potent inhibitor

Abstract

Dihidroceramida desaturasa 1 (Des1) catalitza la formació d’un doble enllaç C-C a la dihidroceramida per obtenir la ceramida. La inhibició de Des1 està relacionada amb la detenció del cicle cel·lular i la mort programada de la cèl·lula. La falta de la estructura cristal·lina de Des1, així com la d'un homòleg proper, dificulta la comprensió detallada del seu mecanisme d'inhibició i complica el disseny de nous inhibidors, convertint Des1 en un objectiu complicat. Basant-se en estudis previs de estructura-activitat, es van dissenyar diferents ceramides que contenien unitats estructurals rígides. La síntesi i avaluació d'aquests compostos com a inhibidors de Des1 van permetre identificar PR280 com un millor inhibidor de Des1 in vitro (IC50 = 0,7 µM) que GT11 i XM462, els inhibidors de referència actuals. Aquesta ceramida ciclopropenona es va obtenir en una síntesi de 6 passos amb un rendiment total del 24%. La estructura 3D de Des1, recentment predita amb alta confiança per AlphaFold2, va servir com a base per realitzar estudis de docking de inhibidors de Des1 i els derivats de ceramida sintetitzats en aquest treball. Amb aquest propòsit, prèviament es va construir una estructura completa de holoproteïna. Aquest estudi ha permès obtenir un millor coneixement de les interaccions clau lligand-enzim per a l'activitat inhibidora de Des1.

La dihidroceramida desaturasa 1 (Des1) cataliza la formación de un doble enlace C-C en la dihidroceramida para producir ceramida. La inhibición de Des1 está relacionada con la detención del ciclo celular y la muerte celular programada. La falta de la estructura cristalina de Des1, así como de la de un homólogo cercano, impide la comprensión detallada de su mecanismo de inhibición y dificulta el diseño de nuevos inhibidores, lo que convierte a Des1 en una diana complicada. Basándose en estudios previos de estructura-actividad, se diseñaron análogos de ceramidas incorporando diferentes unidades estructurales rígidas en su estructura. La síntesis y evaluación de estos compuestos como inhibidores de Des1 permitió la identificación de PR280 como mejor inhibidor de Des 1 in vitro (IC50 = 0,7 µM) que GT11 y XM462, los actuales inhibidores de referencia. Este análogo de ceramida incorpora una ciclopropenona como unidad estructural rígida y se obtuvo en una síntesis de 6 pasos con un rendimiento global del 24 %. La estructura tridimensional de Des1, recientemente predicha por AlphaFold2, sirvió de base para realizar estudios de docking de inhibidores de Des1 y de los derivados de ceramida sintetizados en este trabajo. Para ello, se construyó previamente una estructura completa de la holoproteína. Este estudio ha permitido un mejor conocimiento de las interacciones ligando-enzima clave para la actividad inhibidora de Des1.

Dihydroceramide desaturase 1 (Des1) catalyzes the formation of a C-C double bond in dihydroceramide to furnish ceramide. Inhibition of Des1 is related to cell cycle arrest and programmed cell death. The lack of the Des1 crystalline structure, as well as that of a close homologue, hampers the detailed understanding of its inhibition mechanism and difficult the design of new inhibitors, thus making Des1 a challenging target. Based on previous structure-activity studies, different ceramides containing rigid scaffolds were designed. The synthesis and evaluation of these compounds as Des1 inhibitors allowed the identification of PR280 as a better Des 1 inhibitor in vitro (IC50 = 0.7 µM) than GT11 and XM462, the current reference inhibitors. This cyclopropenone ceramide was obtained in a 6-step synthesis with a 24 % overall yield. The highly confident 3D structure of Des1, recently predicted by AlphaFold2, served as the basis for conducting docking studies of known Des1 inhibitors and the ceramide derivatives synthesized in this work. For this purpose, a complete holoprotein structure was previously constructed. This study has allowed a better knowledge of key ligand-enzyme interactions for Des1 inhibitory activity.