Advancing selective DNA cleavage: expanding the scope of copper(II) systems for sequence and topologically targeted DNA degradation

Abstract

O campo da química inorgânica medicinal tem passado por uma mudança significativa de paradigma, transitando dos mecanismos clássicos de ligação ao DNA por agentes de platina(II) para o desenvolvimento de nucleases artificiais. Enquanto os compostos de coordenação tradicionais, como a cisplatina, dependem da interferência genômica passiva através de adutos covalentes, as estratégias modernas priorizam a clivagem ativa e irreversível de DNA para superar a toxicidade sistêmica e a resistência celular. Esta tese explora o design e a otimização de sistemas baseados em cobre(II), aproveitando a biocompatibilidade endógena do metal e sua capacidade de executar a clivagem oxidativa de DNA por meio de um ciclo catalítico redox do tipo Haber-Weiss. O trabalho está estruturado em três estratégias distintas que visam alcançar precisão no direcionamento genômico. A primeira etapa foca na otimização das estruturas, investigando a influência de cadeias alquílicas no sistema sobre a afinidade de ligação e a eficiência de clivagem da unidade catalítica de cobre(II) utilizando di(2-picolil)amina (DPA) como ligante. Resultados experimentais para as espécies estudadas estabeleceram que a adição de cadeias alquílicas ao sistema aumenta a ligação ao DNA e, consequentemente, a sua clivagem. Com base nesses dados, a segunda estratégia aborda a seletividade biológica ao conjugar o sistema catalítico otimizado ao fator de transcrição EL222. Ao utilizar o reconhecimento de sequência específico do domínio hélice-volta-hélice da proteína, o sistema foi transformado em uma nuclease sítio-específica capaz de degradação oxidativa direcionada. Por fim, a terceira estratégia explora a seletividade topológica, ancorando o sistema de cobre(II)-DPA a um ligante projetado especificamente para G-Quadruplexos de DNA do protooncogene c-myc. Em conjunto, estas abordagens demonstram que a integração do design químico racional com estruturas de reconhecimento biológico pode direcionar o poder oxidativo potente, porém tipicamente aleatório, dos complexos de cobre(II) para regiões genéticas específicas.

Abstract: The field of medicinal inorganic chemistry has undergone a significant paradigm shift, transitioning from the classical DNA-binding mechanisms of platinum(II) agents toward the development of catalytic artificial nucleases. While traditional coordination compounds like cisplatin rely on passive genomic interference through covalent adducts, modern strategies prioritize active, irreversible strand scission to overcome systemic toxicity and cellular resistance. This thesis explores the design and optimization of copper(II)-based systems, leveraging the metal's endogenous biocompatibility and its potent ability to execute oxidative DNA cleavage through a redox-driven Haber-Weiss catalytic cycle. The research is structured around three distinct strategies aimed at achieving better precision in genomic targeting. The first stage focuses on biophysical optimization, investigating the influence of alkyl chain linkers on the binding affinity and cleavage efficiency of a copper(II)-di(2-picolyl)amine (DPA) moiety. Experimental results for the studied species established that the addition of alkyl chains to the system enhances DNA binding and consequently DNA cleavage. Building upon these findings, the second strategy addresses biological selectivity by conjugating the optimized catalytic warhead to the EL222 transcription factor. By utilizing the sequence-specific recognition of the protein's helix-turn-helix domain, the system was transformed into a sitespecific nuclease capable of targeted oxidative degradation. Finally, the third strategy explores topological selectivity by tethering the copper(II)-DPA system to a small-molecule recognition region specifically designed for DNA G-Quadruplex from proto-oncogene c-myc. Together, these approaches demonstrate that the integration of rational chemical design with biological and structural recognition scaffolds can successfully direct the potent, yet typically random, oxidative power of copper(II) complexes toward specific genetic coordinates.