Design of novel inhibitors for human geranylgeranyl pyrophosphate synthase

Human geranylgeranyl pyrophosphate synthase (hGGPPS) is an enzyme in the mevalonate pathway that catalyzes the formation of geranylgeranyl pyrophosphate (GGPP) via the condensation of farnesyl pyrophosphate (FPP) with isopentenyl pyrophosphate (IPP). GGPP is a key substrate for prenylation of a number of GTP binding regulatory proteins (G-proteins), including the Rho and Rac subfamilies that provide cell signalling. Biochemical studies have indicated a relationship between high levels of GGPP in the brain tissue and Alzheimer’s disease (AD) garnering an interest in targeting hGGPPS for the treatment of AD. Currently, structure-based drug discovery is hindered by limited structural data about this target as there is only one crystal structure of hGGPPS (PDB code: 2Q80). Furthermore, co-crystal structures with enzyme-bound inhibitors have not been reported. The wild-type hGGPPS forms a very stable hexameric structure (∆Tm > 95°C) that also prevents its use in screening studies using differential scanning fluorimetry (DSF). Bisphosphonates are a class of inhibitors known to target hGGPPS. In this study, thienopyrimidine-based bisphosphonates were synthesized and designed to target hGGPPS. Moreover, catalytically competent mutants of hGGPPS were designed which form dimeric structure in solution that may be more suitable for structural studies than the wild-type enzyme.La géranylgéranyl-pyrophosphate synthase humaine (hGGPPS) est une enzyme de la voie du mévalonate qui catalise la formation de géranylgéranyl-pyrophosphate (GGPP) via la condensation du farnésyl-pyrophosphate (FPP) avec l’isopentényl-pyrophosphate (IPP). La GGPP est un substrat clé pour la prénylation de plusieurs protéines de régulation liant la GTP (protéines G), incluant les sous-familles Rho et Rac qui assurent la signalisation cellulaire. Des études biochimiques ont indiqué une relation entre un niveau élevé de GGPP dans les tissus cérébrales et la maladie d’Alzheimer (MA) engendrant un intérêt pour cibler la hGGPPS dans le traitement de la MA. Actuellement, la découverte de médicaments basée sur la structure est entravée par des données structurelles limitées par rapport à cette cible, puisqu’il existe une seule structure cristalline de la hGGPPS (code PDB : 2Q80). En outre, aucune structure co-cristalline avec inhibiteurs enzymatiques n’a été constatée. Le type naturel de hGGPPS forme une structure hexamèrique très stable (∆Tm > 95°C) ce qui prévient son utilisation dans les études de dépistage utilisant la fluorimétrie à balayage différentielle. Les bisphosphonates sont une classe d’inhibiteurs connue pour cibler la hGGPPS. Dans cette étude, les bisphophonates basés sur les thienopyrimidine ont été synthétisés et conçus pour cibler des hGGPPS. De plus, des mutants catalytiques compétents de la hGGPPS ont été conçus. Ceux-ci forment une structure dimèrique en solution qui est peut-être plus adaptée aux études structurelles que l’enzyme de type naturel