Synthesis and Biological Evaluation of Carbocyclic Nucleosides

Abstract

The sugar core of a nucleoside is known to exist in a rapid equilibrium of the two extreme forms, namely the north and the south conformations. Conformation restricted modified nucleosides have been developed as a tool to better understand the physicochemical nature of diverse biological interactions, and the information revealed during the process provided enormous possibility of these unnatural nucleosides for potential therapeutic use. The bicyclo[3.1.0]hexane, structure with a carbocyclic core, serves as a privileged template to lock a given nucleoside in an either conformation, where its uses are actively being reported to date. However, synthetic difficulty of these compounds, the south especially, prevents such valuable template from being developed any further. In this study, an efficient route to access south conformation restricted nucleosides built on a bicyclo[3.1.0]hexane has been explored. As a result, the synthesis of south methanocarba uridine was achieved in 7% overall yield in 15 steps from easily accessible D-ribose. The current study is expected to serve as a valuable resource for further development of conformation restricted nucleosides. In a continuing effort in discovering the role conformations in nucleosides, a precursor of south methanocarba cytidine phosphonamidite was prepared to observe the effect of conformation restricted nucleosides in leadzyme self-cleavage activity. An alternative route to access MLN4924, a NEDD8-activating enzyme (NAE) inhibitor which is in phase 1 clinical trial as an anticancer agent has been explored for further structure-activity relationship studies. The synthetic route proposed in this study includes regioselective α-alkoxy removal and stereoselective reduction as key steps, which successfully provided MLN4924 in an overall yield of 13% in 15 steps. Furthermore, in continuation to the structure-activity relationship study of MLN4924, fluorinated analogues were designed based on bioisosteric rationale, and their syntheses were achieved employing stereoselective reduction, regioselective isopropylidene cleavage and DAST fluorination as key steps.

뉴클레오사이드의 당은 용액 상에서 north와 south로 정의되는 두 형태의 빠른 상호전환 상태로 존재한다고 알려져 있다. 당 형태의 고찰을 통해 뉴클레오사이드의 물리화학적 본질에 대한 접근이 이루어졌으며 이러한 과정에서 다양한 합성을 통해 자연에 존재하지 않는 변형 뉴클레오사이드가 탄생했고, 여러 생물학적 활성 평가를 통해 의약품으로서의 가능성을 인정받았다. 형태를 효율적으로 고정시키는 방법으로 bicyclo[3.1.0]hexane 골격이 제안되었다. 이는 삼원환 고리의 위치에 따라 north, 혹은 south 형태로 뉴클레오사이드를 고정시켜 생물학적 활성 평가를 가능케하였으며, 세계 각지의 많은 연구를 통해 무한한 가능성이 제시되고 있다. 하지만, bicyclo[3.1.0]hexane 골격은 합성이 어렵다는 단점을 가지고 있으며 특히 south로 고정된 뉴클레오사이드의 경우 그 합성이 더욱 어려워 향후 의약품으로서의 가치를 가지기 위해 효율적인 합성방법론에 대한 연구가 필요하다. 이에, 본 연구를 통해 bicyclo[3.1.0]hexane 골격을 활용하여 south로 고정된 뉴클레오사이드의 효율적 합성방법론을 개발하고자 하였다. 결과적으로, 쉽고 저렴하게 구할 수 있는 D-ribose로부터 15 step에 걸쳐 총 7% 수율로 south methanocarba uridine의 합성을 완성할 수 있었다. 본 연구 결과는 향후 형태가 고정된 뉴클레오사이드 개발에 큰 기여를 할 것으로 생각된다. 또한, 이를 토대로 당의 형태에 따른 leadzyme의 self-cleaving activity 측정을 하고자 하였으며 이에 south methanocarba cytidine phosphoramidite를 합성하고자 하였다. NEDD8-Activating enzyme (NAE)의 선택적 저해제로 현재 임상 1상 중에 있는 MLN4924의 효율적인 합성방법론에 대한 연구를 진행하였다. 제시하는 합성방법론으로 regioselective α-alkoxy의 제거와 stereoselective reduction을 핵심 반응으로 사용하였다. 이 방법으로 MLN4924를 15-step에 걸쳐 총 13%의 수율로 MLN4924를 성공적으로 합성하였다. 또한, SAR study를 위해 2번 위치에 불소를 도입한 2-β-fluoro MLN4924를 설계하였으며 이는 stereselective reduction, regioselective isopropylidene cleavage와 DAST 불소화 반응을 핵심반응으로 하여 성공적으로 합성할 수 있었다.