Molecular bases of Phosphodiesterase-4D inhibition by memory-enhancing GEBR-library compounds

The inhibition of human phosphodiesterase-4 (PDE4), an enzyme that is expressed in the brain and that is responsible for the regulation of the level of cyclic adenosine monophosphate (cAMP), has been proposed as a strategy for the treatment of several neurodegenerative and inflammatory pathologies. Over the last few years, the design of compounds that are selective for specific PDE4 isoforms has been explored as a way to limit the side effects that are associated with non-specific PDE4 inhibition. The design of PDE4D selective inhibitors is generally regarded as the most promising strategy to obtain a suitable therapeutic window for neurodegenerative pathologies and avoid side effects. Indeed, PDE4D has been demonstrated to be particularly important in memory development; its association with cognition processes has been demonstrated in knock-out mice, which have shown memory improvements similar to those shown by mice treated with Rolipram. In an effort to develop a drug that selectively targets the PDE4D isoforms without side effects, a number of compounds, commonly referred to as the GEBR library, that show partial selectivity for the PDE4D isoform have been synthesized. The reference inhibitors of the GEBR library are GEBR-7b and GEBR-32a, which have been shown to improve spatial and objects recognition memory and to increase hippocampal levels of cAMP in transgenic mice. By addressing the biochemical behavior of a selection of GEBR-library compounds, both at the structural and at the functional level, we investigated their structure-function relationship and contribute to the elucidation of the molecular bases of PDE4 inhibition. Our characterization identified interesting structural properties, as well as three major families of compounds that differently dock inside the PDE4D catalytic pocket with different conformations: extended, twisted and protruding. Among them, the protruding compounds feature a tail that develops within the S-pocket, pointing towards the external part of the pocket, where a putative interaction with the regulatory UCR2 helix could in principle be exploited to increase drug potency and selectivity.

L’inibizione della famiglia di enzimi umani PDE4, espressi nei tessuti cerebrali e responsabili della regolazione dei livelli di adenosina monofosfato ciclico, è stata proposta come strategia per il trattamento di alcune patologie neurodegenerative ed infiammatorie. Negli ultimi anni, il design di composti che inibiscono selettivamente alcune isoforme di PDE4 è stato esplorato al fine di limitare l’insorgenza di effetti indesiderati, la cui causa è da ricercare in un approccio che mira ad inibire genericamente tutte le PDE4. La strategia più promettente al fine di ottenere una finestra terapeutica per malattie neurodegenerative, limitando al contempo gli effetti indesiderati, sembra essere lo sviluppo di inibitori dell’isoforma PDE4D. Infatti, la particolare importanza della PDE4D nello sviluppo della memoria e la sua associazione con i processi cognitivi, è stata dimostrata in topi knock-out. La GEBR-library, una famiglia di composti sviluppati per avere una finestra terapeutica simile, contiene molecole parzialmente specifiche per l’enzima PDE4D. Gli inibitori più importanti di questa libreria sono GEBR-7b e GEBR-32a. Questi, studiati in modelli murini, hanno prodotto effetti di miglioramento della memoria associata ai processi di riconoscimento di spazi ed oggetti, conseguentemente all'aumento dei livelli di cAMP nell'ippocampo. Investigando sul comportamento biochimico di una selezione di molecole appartenenti alla libreria GEBR, sia dal punto di vista strutturale che funzionale, il lavoro si propone di studiarne il rapporto struttura-funzione, contribuendo alla caratterizzazione delle basi molecolari dell’inibizione dell’enzima PDE4D. Lo studio identifica interessanti proprietà strutturali, come l’esistenza di tre principali famiglie di composti che differiscono per le modalità di interazione con l’enzima. Tra queste, un gruppo di composti mostra una coda che si sviluppa verso la parte esterna della cavità catalitica, dove una possibile interazione con domini regolatori potrebbe in futuro essere sfruttata ed ottimizzata al fine di migliorare la potenza e la specificità del farmaco.