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G9a, a histone lysine methylatransferase, as a potential target for Alzheimer’s disease

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Universitat de Barcelona. Departament de Farmacologia, Toxicologia i Química Terapèutica

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[eng] Alzheimer’s disease (AD) is the most common cause of dementia that currently lacks effective pharmacological treatment. Identifying new targets to halt disease progression is a pressing need. In most cases, AD has a complex etiology likely to involve multiple susceptibility genes and environmental factors. Epigenetics plays a crucial role in linking the genome to the environment and regulating the transcription of genes related to learning and memory. In particular, G9a is a histone lysine methyltransferase identified as having a critical role in various neurodegenerative diseases, including AD.

On the one hand, I first conducted a study to confirm the involvement of G9a in the neurodegenerative processes that underlie the Senescence Accelerated Mouse-Prone 8 (SAMP8) model at both a behavioural and molecular level. Secondly, we demonstrated the efficacy of G9a inhibition as a therapy for AD using the SAMP8 mouse. We identified its main altered pathways and a novel mechanism of action based on Glia maturation factor beta (GMFB) modulation. The third study validated additional epigenetic mechanisms, specifically microRNAs, that participate in AD and are present in the SAMP8 model. These mechanisms were reversed after the inhibition of G9a. Notably, the downregulation of miRNA-128 after G9ai partially explains the modulations of pathways related to Peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ).

On the other hand, given the problems associated with G9a inhibitors (G9ai), such as toxicity, poor blood-brain barrier (BBB) permeability, and selectivity, it was decided to focus efforts on the search for chemical structures that would overcome these challenges. The fourth study involved structure- based virtual screening and in vitro and in vivo screening of the chosen compounds. This screening shows that a candidate with promising results in in vitro and in vivo studies, FLAV-27, is under patent. Optimization and characterization studies for FLAV-27 are being developed in our Knowledge Industry projects. In addition, the Multi Target Directed Ligands (MTDL)-based approach shows attractive advantages for multifactorial diseases such as AD. Therefore, we have also conducted in silico studies to obtain dual G9a/ Glycogen synthase kinase-3 beta (GSK-3β) compounds. In vivo studies were shown with Caenorhabitis elegans (C. elegans) and SAMP8, demonstrating their potential for AD. This doctoral thesis presents results for candidate T2, who is currently in the patent process. Finally, the drug discovery process is characteristically expensive and lengthy. Therefore, the fifth article focuses on the repurposing technique, which is often less risky, more cost-effective, and can be completed in less time. An in silico study proposed a cancer drug, Raltitrexed, as a possible G9ai. This work evaluated its efficacy in inhibiting G9a through in vitro and in vivo studies using the C. elegans model. The results suggest that Raltitrexed could be a candidate for treating AD, although further experiments are required.

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[spa] La enfermedad de Alzheimer (EA) es la causa más común de demencia que actualmente carece de tratamiento farmacológico efectivo. Identificar nuevas dianas para detener la progresión de la enfermedad es una necesidad urgente. En la mayoría de los casos, la EA tiene una etiología compleja que probablemente involucra múltiples genes de susceptibilidad y factores ambientales. La epigenética juega un papel crucial en la conexión del genoma con el medio ambiente y en la regulación de la transcripción de genes relacionados con el aprendizaje y la memoria. En particular, G9a es una lisina metiltransferasa de histona identificada como un elemento crítico en varias enfermedades neurodegenerativas, incluida la EA.

Por un lado, realicé un estudio para confirmar la participación de G9a en los procesos neurodegenerativos que subyacen al modelo Senescence Accelerated Mouse-Prone 8 (SAMP8) tanto a nivel conductual como molecular. En segundo lugar, demostramos la eficacia de la inhibición de G9a como terapia para la EA utilizando el ratón SAMP8. Identificamos sus principales vías alteradas y un nuevo mecanismo de acción basado en la modulación del factor de Glia maturation factor beta (GMFB). El tercer estudio validó mecanismos epigenéticos adicionales, específicamente microARN, que participan en la EA y están presentes en el modelo SAMP8. Estos mecanismos se revirtieron después de la inhibición de G9a. Es importante destacar que la regulación negativa de miARN-128 después de la inhibición de G9a explica parcialmente las modulaciones de las vías relacionadas con el Peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ).

Por otro lado, dado los problemas asociados con los inhibidores de G9a (G9ai), como la toxicidad, la baja permeabilidad de la barrera hematoencefálica y la selectividad, se decidió centrar los esfuerzos en la búsqueda de estructuras químicas que superaran estos desafíos. El cuarto estudio involucró el cribado virtual basado en estructuras y el cribado in vitro e in vivo de los compuestos elegidos. Este cribado muestra que un candidato con resultados prometedores en estudios in vitro e in vivo, FLAV-27, el cual está bajo patente. Se están desarrollando estudios de optimización y caracterización para FLAV-27 gracias a proyectos de la Industria del Conocimiento. Además, el enfoque basado en ligandos dirigidos a múltiples dianas muestra ventajas atractivas para enfermedades multifactoriales como la EA. Por lo tanto, también hemos realizado estudios in silico para obtener compuestos duales G9a/Glycogen synthase kinase-3 beta (GSK-3β). Se realizaron estudios in vivo con Caenorhabditis elegans (C. elegans) y SAMP8, demostrando su potencial para la EA. Esta tesis doctoral presenta resultados para el candidato T2, que actualmente está en proceso de ser patentatado. Finalmente, el proceso de descubrimiento de medicamentos es característicamente costoso y largo. Por lo tanto, el quinto artículo
 
se centra en la técnica de reutilización, que a menudo es menos arriesgada, más rentable y puede completarse en menos tiempo. Un estudio in silico propuso un medicamento contra el cáncer, Raltitrexed, como posible G9ai. Este trabajo evaluó su eficacia en la inhibición de G9a a través de estudios in vitro e in vivo utilizando el modelo C. elegans. Los resultados sugieren que Raltitrexed podría ser un candidato para tratar la EA, aunque se requieren más experimentos.

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Tesis Doctorals - Departament - Farmacologia, Toxicologia i Química Terapèutica

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G9a, a histone lysine methylatransferase, as a potential target for Alzheimer’s disease