G-quadruplex stabilizers as metabolic regulator and theranostic agent

DNA canonical B-form double helix structure can be unwound and some secondary structures critical for the regulation of some metabolic processes such as replication and transcription can be generated. Among these structures, G-quadruplexes (G4s) have gained attention due to their key roles in cellular metabolism as regulatory elements. Therefore, G4 structures have been under focus and many studies have been conducted to understand their cellular roles. It is estimated that there are more than 700,000 potential G4 structures in the human genome, and more than 40% of genome promoters may contain G4 structures. Reduction of expression of oncogenes through stabilization of G4 promoter regions with the use of G4 ligands causes dysregulation of cellular metabolism resulting in apoptosis as well. Moreover, the genomic instability provided by G4 stabilization interferes with helicase activity and can induce DNA damage. Therefore, G-quadruplexes are potential target for cancer studies. In this thesis study, novel G-quadruplex ligands were developed as chlorambucil bearing metabolic regulator (L1) and theranostic agent (L2) which has dual capacity (both therapeutic and diagnostic) upon binding DNA G-quadruplex regions of the oncogenes. Compound L1 with BODIPY planar backbone was able to suppress certain oncogene expressions through binding to G4 region. Furthermore, the anti-metastatic effect of L1 was also shown in cell migration assay where wound closure was significantly inhibited by the ligand. The theranostic ligand L2 has two fluorescent units that could cause a change in emission after binding to G4 structure like a fluorescent probe. This compound could have enhanced emission and inhibit oncogene expression after binding to DNA G4 region.

DNA, replikasyon, transkripsiyon gibi çeşitli metabolik süreçleri yönetmek için çift sarmal yapısını çözerek belirli koşullar altında kanonik katlanmış B-DNA yapısı yerine B olmayan farklı ikincil DNA konformasyonları oluşturabilmektedir. Bu yapılar arasında, G-kuadrupleks yapılar (G4'ler), düzenleyici elemanlar olarak hücresel metabolizmadaki önemli rolleri nedeniyle dikkat çekmiştir. Bu nedenle, G4 yapılarına odaklanılmış ve hücre üzerindeki etkileri üzerine birçok çalışma yürütülmüştür. İnsan genomunda 700.000’den fazla potansiyel G4 yapısının olduğu ve genom promotörlerinin %40’tan fazlasının G4 yapıları içerebileceği tahmin edilmektedir. G4 ligandları tarafından G4 promotör bölgelerinin stabilizasyonu ile onkogenlerin gen ifadesinin azaltılması, hücresel metabolizmanın düzensizliğine neden olarak apoptoza da yol açabilmektedir. Dahası, G4 stabilizasyonunun sağladığı genomik instabilite, helikaz aktivitesinin çalışmasını etkileyerek DNA hasarına neden olabilir. Bu nedenle, G-kuadrupleks yapıları kanser çalışmaları için potansiyel hedeftirler. Bu tez çalışması kapsamında, onkogenlerin DNA G-kuadrupleks bölgelerine bağlanarak metabolik düzenleyici olarak görev yapan yapısında klorambusil alkilleme ilacı içeren (L1) ve ikili kapasiteye (hem terapötik hem de tanısal) sahip teranostik ajan (L2) olarak yeni G-kuadrupleks ligandları geliştirilmiştir. BODIPY düzlemsel ana gövdesine sahip bileşik L1, G4 bölgesine bağlanarak belirli onkogen ifadelerini düzenleyebilmiştir. Ayrıca, L1'in anti-metastatik etkisi, yara kapanmasının inhibe edildiği hücre göçü analizinde de gösterilmiştir. Teranostik ligand L2, floresan prob gibi G4 yapısına bağlandıktan sonra emisyonda bir değişikliğe neden olabilen iki floresan üniteye sahiptir. Bu bileşik, DNA G4 bölgesine bağlanmasına bağlı olarak hem emisyon değişimini hem de onkogen ifadesinin inhibisyonunu arttırabilmiştir. Tez çalışmasında elde edilen verilerin yeni nesil G4 ligandları olarak anti-kanser çalışmalarına katkı sunacağı düşünülmektedir.