Abstract DNA methylation, as exemplified by cytosine-C5 methylation in mammals and adenine-N6 methylation in bacteria, is a crucial epigenetic mechanism driving numerous vital biological processes. Developing non-nucleoside inhibitors to cause DNA hypomethylation is a high priority, in order to treat a variety of significant medical conditions without the toxicities associated with existing cytidine-based hypomethylating agents. In this study, we have characterized fifteen quinoline-based analogs. Notably, compounds with additions like a methylamine ( 9 ) or methylpiperazine ( 11 ) demonstrate similar low micromolar inhibitory potency against both human DNMT1 (which generates C5-methylcytosine) and Clostridioides difficile CamA (which generates N6-methyladenine). Structurally, compounds 9 and 11 specifically intercalate into CamA-bound DNA via the minor groove, adjacent to the target adenine, leading to a substantial conformational shift that moves the catalytic domain away from the DNA. This study adds to the limited examples of DNA methyltransferases being inhibited by non-nucleotide compounds through DNA intercalation, following the discovery of dicyanopyridine-based inhibitors for DNMT1. Furthermore, our study shows that some of these quinoline-based analogs inhibit other enzymes that act on DNA, such as polymerases and base excision repair glycosylases. Finally, in cancer cells compound 11 elicits DNA damage response via p53 activation. Abstract Figure Highlights Six of fifteen quinoline-based derivatives demonstrated comparable low micromolar inhibitory effects on human cytosine methyltransferase DNMT1, and the bacterial adenine methyltransferases Clostridioides difficile CamA and Caulobacter crescentus CcrM. Compounds 9 and 11 were found to intercalate into a DNA substrate bound by CamA. These quinoline-based derivatives also showed inhibitory activity against various base excision repair DNA glycosylases, and DNA and RNA polymerases. Compound 11 provokes DNA damage response via p53 activation in cancer cells.

ABSTRACT Immunodeficiency, centromeric instability and facial anomalies (ICF) syndrome is a rare autosomal recessive disorder characterized by DNA hypomethylation and antibody deficiency. It is caused by mutations in DNMT3B, ZBTB24, CDCA7 or HELLS . While progress has been made in elucidating the roles of these genes in regulating DNA methylation, little is known about the pathogenesis of the life-threatening hypogammaglobulinemia phenotype. Here we show that mice deficient for Zbtb24 in the hematopoietic lineage recapitulate major clinical features of patients with ICF syndrome. Specifically, Vav-Cre-mediated ablation of Zbtb24 does not affect lymphocyte development but results in reduced plasma cells and low levels of IgM, IgG1 and IgA. Zbtb24 -deficient mice are hyper- and hypo-responsive to T-dependent and Tindependent type 2 antigens, respectively, and marginal zone B cell activation is impaired. B cells from Zbtb24 -deficient mice display elevated CD19 phosphorylation. Heterozygous disruption of Cd19 can revert the hypogammaglobulinemia phenotype in these mice. Mechanistically, Il5ra (interleukin-5 receptor subunit alpha) is derepressed in Zbtb24 -deficient B cells, and elevated IL-5 signaling enhances CD19 phosphorylation. Our results reveal a novel link between IL-5 signaling and CD19 activation and suggest that abnormal CD19 activity contributes to immunodeficiency in ICF syndrome. SIGNIFICANCE STATEMENT ICF syndrome is a rare immunodeficiency disorder first reported in the 1970s. The lack of appropriate animal models has hindered the investigation of the pathogenesis of antibody deficiency, the major cause of death in ICF syndrome. Here we show that, in mice, disruption of Zbtb24 , one of the ICF-related genes, in the hematopoietic lineage results in low levels of immunoglobulins. Characterization of these mice reveals abnormal B cell activation due to elevated CD19 phosphorylation. Mechanistically, Il5ra (interleukin-5 receptor subunit alpha) is derepressed in Zbtb24 -deficient B cells, and increased IL-5 signaling enhances CD19 phosphorylation.