DNA methyltransferases (DNMTs) play a relevant role in epigenetic control of cancer cell survival and proliferation. Since only two DNMT inhibitors (azacitidine and decitabine) have been approved to date for the treatment of hematological malignancies, the development of novel potent and specific inhibitors is urgent. Here we describe the design, synthesis, and biological evaluation of a new series of compounds acting at the same time as DNMTs (mainly DNMT3A) inhibitors and degraders. Tested against leukemic and solid cancer cell lines, 2a–c and 4a–c (the last only for leukemias) displayed up to submicromolar antiproliferative activities. In HCT116 cells, such compounds induced EGFP gene expression in a promoter demethylation assay, confirming their demethylating activity in cells. In the same cell line, 2b and 4c chosen as representative samples induced DNMT1 and -3A protein degradation, suggesting for these compounds a double mechanism of DNMT3A inhibition and DNMT protein degradation.

Proteolysis targeting chimeras (PROTACs) represent powerful tools to modulate the activity of classically “undruggable” proteins, but their application has been limited to known ligands and a few select protein classes. Herein, we present our chemoproteomic strategy for de novo discovery of PROTAC degraders. Using comparative PROTAC versus ligand global proteomics analyses, we rapidly identify proteins selectively downregulated by “untargeted” PROTAC probes containing an E3 ligase recruiter and various cysteine-reactive protein-of-interest (POI) ligands. In this manuscript, we showcase our approach by identifying a first-in-class acrylamide- and VHL-based PROTAC for metallothionein 2A (MT2A) – a small, cysteine-rich, metal-binding protein implicated in heavy metal detoxification, zinc homeostasis, and cellular metastasis. Notably, isoform-specific MT overexpression has been shown to augment cellular migration and invasion across several cancer cell lines, though precise mechanisms are unknown due to insufficient tools to study MTs. We show that optimized PROTAC AA-BR-157 covalently binds conserved C44, degrades overexpressed MT2A with nanomolar potency, and reduces migration and invasion of triple negative breast cancer MDA-MB-231 cells. We further demonstrate a time-dependent increase in intracellular zinc levels following MT2A degradation as well as downregulation of protein diaphanous homolog 3 (DIAPH3), a positive regulator of actin and cell motility. Super-resolution imaging of MDA-MB-231 cells shows that downregulation of MT2A and DIAPH3 inhibits cell polarization and thereby migration, suggesting that MT2A regulates motility via DIAPH3-dependent cytoskeletal remodeling. In summary, our strategy enables the discovery of PROTACs for novel disease-related targets and lays the groundwork for expansion of the druggable proteome.

Les méthyltransférases de l'ADN (DNMT) catalysent la méthylation de l'ADN, l'une des marques épigénétiques les plus étudiées. Dans les cancers, on observe une hyperméthylation spécifique de promoteurs de gènes suppresseurs de tumeurs (GST) conduisant à leur extinction génique, ce qui participe au maintien et à la progression de tumeurs. A ce jour, les mécanismes responsables de cette hyperméthylation spécifique des promoteurs de GST dans les cancers sont indéterminés. Ces travaux de thèse sont consacrés à l'inhibition des DNMT dans les cancers afin de restaurer l'expression des GST mais également à l'utilisation d'une approche innovante de chemobiologie pour l'identification de partenaires des DNMT potentiellement responsables de leur adressage vers les régions promotrices des GST. Les partenaires ainsi identifiés peuvent constituer de nouvelles cibles épigénétiques pour le ciblage indirect de la méthylation de l'ADN dans les cancers. Deux séries d'inhibiteurs de DNMT ont été étudiées. La première est la famille des chloronitro-flavanones, précédemment identifiée par criblage, pour laquelle de nouveaux dérivés de type bromonitro-flavanones ont été synthétisés afin d'améliorer la stabilité en conditions physiologiques. J'ai réalisé l'étude des effets pharmacologiques de cette famille de molécules. J'ai également entrepris la synthèse et la caractérisation pharmacologique de nouveaux inhibiteurs de type bi-substrats, analogues de l'adénosine et de la désoxycytidine, conçus par une approche rationnelle. Ces deux études ont permis respectivement d'identifier un dérivé flavanone plus stable et plus actif que le composé de référence et deux dérivés quinazoline-quinoléine très prometteurs, actifs sur les DNMT et dans les lignées cellulaires, à la fois pour la réexpression d'un gène rapporteur mais surtout dans l'induction de la déméthylation du GST CDKN2A et de sa réexpression. Pour identifier les partenaires de DNMT, nous avons employé une approche de chemobiologie (" Activity-Based Protein Profiling - ABPP ") basée sur la conception de sondes chimiques comportant un inhibiteur de DNMT. Ces sondes, utilisées sur des cellules vivantes, permettent, grâce à une étape de fonctionnalisation par chimie bioorthogonale, de purifier les protéines partenaires des DNMT. Vingt sondes ont été synthétisées et leurs activités ont été évaluées sur des modèles enzymatiques et cellulaires. Les sondes sélectionnées ont été utilisées dans des lignées cellulaires cancéreuses pour purifier les protéines partenaires qui ont ensuite été identifiées par analyse protéomique. Suite à leur validation, ces protéines pourront constituer de nouvelles cibles de la méthylation aberrante de l'ADN dans les cancers.

Carboxylate side chains in aspartic and glutamic acids play critical roles in protein structure and function due to their polarity and negative charge. These acidic residues, which are abundant in high-value drug targets, represent attractive yet underexplored hotspots for covalent inhibitor discovery. In this study, we introduce N-aryl aziridines as a systematically tunable, chemoselective scaffold for covalent targeting of carboxylates across the proteome. Using a library of N-pyridinium aziridine-based fragments combined with chemoproteomics-enabled target deconvolution, we identified lead hits for aspartates and glutamates in proteins such as mitochondrial carrier homolog 2 (MTCH2), RUN and FYVE domain-containing protein 1 (RUFY1), and delta(24)-sterol reductase (DHCR24). Modular build-and-couple synthetic logic enabled fragment evolution via Ni-catalyzed cross-coupling to access N-aryl aziridines with enhanced affinities for MTCH2 and RUFY1. Notably, N-aryl aziridine 5b selectively modified RUFY1 at E502, disrupting its interactions within the endosomal trafficking network and impairing receptor recycling. This work establishes N-aryl aziridines as versatile carboxylate-targeting covalent inhibitor scaffolds, broadening the scope of covalent ligand discovery.