Non Canonical structures within MYC and BCL2 oncogenes: novel targets for gene expression modulation.

Cancer diseases are increasing worldwide and more than 20 million new cancer cases per year are expected by 2025. At these days the treatment of neoplastic forms took advantage of classic approaches, based on chemotherapeutics and radiotherapeutics agents. However they are characterized by numerous limitations as remarkable side effects, toxicity and selection of resistant phenotypes to such therapies. This prompted the development of so-called targeted therapies, where selective chemical entities (small molecules, monoclonal antibodies, miRNAs, siRNAs etc.) hit a single molecular target of the tumor phenotype. Despite, these therapies have proven to be efficient alternatives they also present several limitations that make them quite ineffective. In order to overcome these remarkable drawbacks, he modulation of the gene expression, that exploits the ability of nucleic acids to assume different conformations, defined as non-canonical, became extremely interesting. Among these non-canonical conformations, extremely fascinating are the tetrahelical conformations known as G-quadruplex (G4) and i-Motif (iM), that seem to be involved in the blockage of the cancer development. G4 structures occur at DNA and RNA sequences presenting a high abundance of consecutive guanines that interact each other through Hoogstein hydrogen bonds to generate a planar structure called G-tetrads. Stacking interaction between two or more G tetrads create the overall structure. Bioinformatics studies revealed that prevalently these regions are contained along the telomeres and within the untranslated region (UTR) or within the promoter sites of several oncogenes (approximately 40%) directly implicated in the development of tumor phenotypes. The UTR domains, as the promoter regions, are double-stranded DNA sequences. Therefore the complementary strand results enriched in cytosine, that under specific environmental conditions can folds into a tetrahelical conformation, known as i-Motif. Unlike the G4s, the building block of the entire structure is a dimer of cytosine mainly stabilized by the presence of three Hoogstein hydrogen bonds. The in vivo formation of G4 and iM leads to a steric hindrance at the DNA level; this suggests an inhibition/activation effect on the elongation process of the telomere or on the gene expression process Under the supervision of Dr. Laurence J. Hurley, the structural characterization of the cytosine rich sequence contained within the NHE(III)1 region of MYC promoter was completed. In particular, was assessing the effect of the loop composition on the stability and folding process of the already characterized iM. Since it was proved that this conformation in vivo is involved in the transcriptional activation, the possibility to target it by using a selected compound (IMC-30) was considered. Furthermore, we took into consideration the possibility to use this compound (IMC-30) as an anticancer drug by testing its ability to induce the apoptosis process in a cancer cell line in which the selected gene was overexpressed. Besides the several evidence reported for the tetrahelical conformations assumed by the GC-rich promoter regions, more recently the efforts moved forward to the G-rich tract contained in the untranslated (UTR) domains, both the 5’- and the 3’-UTR, of the primary transcript. Since, they can act as modulators of the translation process. Based on this evidence, in this project, the guanine rich sequences contained in the 5'-UTR region, both at the DNA and RNA levels, of the BCL2 gene were considered. In particular, the structural characterization study was initially carried out on the minimal sequences (dBcl2_G and rBcl2_G), then the effect exerts by the presence of additional nucleotides on the folding process towards the G-quadruplex was taken into consideration (dBcl2_G + 3 WC, rBcl2_G + 3 WC and rBcl2_48). Additionally, the cytosine rich tract contained on the DNA complementary strand was considered and characterized. Our data have shown that the dBcl2_G and rBcl2_G are able to assume multiple G4 conformations. While, the presence of additional nucleotides strongly modulates their ability to assume the non-canonical conformation. Indeed, we proved that the presence of 3 WC pairing partially prevents the formation of G4 both in the DNA and in the RNA, while the addition of a greater number of bases (rBcl2_48) leads to the formation of a different conformation that competes with the G4 structure. Regarding the cytosine rich string, its conformational equilibria have been taken into consideration both in a mildly acidic environment and in an environment that mimics the physiological condition. Finally, we implemented our work, by screening a library of compounds on each tested sequences in order to find a ligand that selectively recognizes and stabilizes one conformation. From the acquired data it emerged the feasibility to stabilize/induce the iM using the Bisanthrene compound and its derivative Bis 1-8. For the guanine rich sequences, Sanguinarine and Chelerythrine provide the best results on each tested tracts, therefore they cannot be considered selective compounds. Similarly, also the Bisanthrene derivatives recognize and interact with each tested guanine tracts, although with different selectivity.

Oggigiorno una delle “piaghe” che affligge maggiormente la popolazione mondiale è il cancro. Il trattamento di queste forme neoplastiche sfrutta agenti chemioterapici e radioterapici, caratterizzati da numerose limitazioni legate ai notevoli effetti collaterali, alla tossicità e alla selezione di fenotipi resistenti a tali terapie. Ciò ha portato allo sviluppo delle targeted therapy, che sfruttano entità chimiche (small molecules, anticorpi monoclonali, miRNA, siRNA ecc.) selettive per un bersaglio molecolare caratteristico del fenotipo tumorale. Nonostante più mirati anche questi approcci presentano degli effetti collaterali Pertanto la modulazione dell’espressione genica che sfrutta la capacità degli acidi nucleici di assumere differenti conformazioni, definite non canoniche, ha destato sempre più interesse. Tra le possibili strutture non canoniche di notevole interesse sono le conformazioni tetraelicoidali note come G-quadruplex (G4) e i-Motif (iM). La struttura G4 è propria di sequenze di DNA e RNA contenenti un’elevata abbondanza di guanine consecutive che, mediante legami a idrogeno di tipo Hoogstein, generano delle strutture planari chiamate tetradi. Dall’’impilamento di due o più tetradi si genera la struttura a tetraelica. Poiché il DNA è una doppia elica, il filamento complementare a queste regioni G ricche presenta un’elevata abbondanza di citosine. Anche questi domini in particolari condizioni ambientali, possono generare una conformazione tetraelicoidale, nota come i-Motif. A differenza del G4, il building block dell’intera struttura è un dimero di citosine stabilizzato dalla presenza di tre legami a idrogeno. In vivo l’esistenza di queste conformazioni, genera una sorta d’ingombro sterico a livello del DNA e ciò presuppone un effetto d’inibizione/attivazione del processo di elongazione del telomero o del processo trascrizionale. Sotto la supervisione del Dott. Laurence J. Hurley, è stata implementata la caratterizzazione strutturale della stringa di citosine contenute nel promotore del gene MYC. In seguito un selezionato ligando è stato testato con l’idea di poter modulare il processo di folding/unfolding alla base dell’attivazione trascrizionale. Infine, l’effetto mediato da questo composto sul processo apoptotico è stato preso in considerazione lavorando su una selezionata linea cellulare. Di notevole interesse sono le regioni GC-ricche contenute nella porzione non tradotta del trascritto primario (mRNA). Sulla base di ciò, in questo progetto, sono state prese in considerazioni, le stringhe di guanina e citosina contenute nella regione del 5’-UTR, sia a livello del DNA sia del RNA, del gene BCL2. Inizialmente è stato condotto uno studio di caratterizzazione sulle sequenze minimali dBcl2_G, dBcl2_C e rBcl2_G. In seguito è stato preso in considerazione l’effetto della presenza di nucleotidi adiacenti sul processo di folding verso il G-quadruplex (dBcl2_G + 3WC, rBcl2_G + 3WC e rBcl2_48). I dati ottenuti dimostrano che le sequenze dBcl2_G e rBcl2_G sono in grado di assumere molteplici conformazioni G4. La presenza di nucleotidi addizionali modula la loro capacità di assumere queste conformazioni. In particolare, la presenza di tre appaiamenti WC impedisce parzialmente la formazione del G4 sia nel DNA, che nel RNA mentre, l’aggiunta di un maggior numero di basi (rBcl2_48) sposta l’equilibrio conformazionale verso una conformazione in forte competizione con il G4. Per la sequenza ricca di citosine, l’equilibrio conformazionale è stato valutato sia in ambiente blandamente acido, che in un ambiente che mima la condizione fisiologica. Infine, poiché negli ultimi anni è stata dimostrata la capacità di alcuni ligandi sintetici/naturali, di spostare gli equilibri conformazionali del DNA, dalla classica forma a doppio filamento, verso queste conformazioni tetraelicoidali, una selezionata libreria di composti è stata, scrinata allo scopo di individuare un ligando in grado di riconoscere e stabilizzare selettivamente una conformazione al pari di un'altra.