Conception d’outils chimiques pour la détection des structures d’ADN G-quadruplex

Trapping G-quadruplex DNA from molecular tools to cellular assays

• Auteur / Autrice : Elodie Morel
• Direction : Marie-Paule Teulade-Fichou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 18/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conception, synthèse et vectorisation de biomolécules (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Boris Vauzeilles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Paule Teulade-Fichou, Boris Vauzeilles, Eric Defrancq, Jean-Marc Malinge, Anthony Bugaut, Guillaume Vives, Florence Mahuteau-Betzer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Eric Defrancq, Jean-Marc Malinge

Mots clés

Mots clés contrôlés

Complexes de coordination

Sondes moléculaires

G-quadruplexes

Mots clés libres

Adn

G-Quadruplex

Conception

Dna

G-Quadruplex

Conception

Résumé

Des structures secondaires d’acides nucléiques atypiques, les structures G-quadruplex, peuvent se former autour d’un cation (K+ ou Na+) dans les régions riches en guanines, grâce à une association de type Hoogsteen. La formation de ces structures est impliquée dans de nombreux mécanismes biologiques, comme la réplication, la transcription ou l’épissage. Elles peuvent affecter l’architecture de l’ADN jusqu’au niveau de la chromatine et provoquer une instabilité importante, tant génétique qu’épigénétique. De nombreuses méthodes ont été développées afin de détecter ces structures in vivo et de comprendre leurs implications au niveau cellulaire. Cependant, le panel d’outils moléculaires disponible actuellement ne permet pas une exploration du génome complète et sélective. Nous avons souhaité développer des outils, capables de sonder efficacement un milieu biologique complexe à la recherche de structures G-quadruplex et d’évaluer le potentiel d’une stratégie thérapeutique anti-tumorale ciblant ces structures. Nous avons mis au point un panel de composés combinant des ligands d’ADN G-quadruplex (PDC, PhenDC3 et Métal-ttpy) avec une biotine et un groupement photoactivable, permettant la capture et l’extraction de structures G-quadruplex de milieux biologiques complexes. Les ligands ont été évalués grâce aux techniques de FID et de FRET-melting, et sélectionnés pour leur affinité mais aussi pour leur affinité pour l’ADN G-quadruplex, assurant un ciblage efficace. Il a également été possible de piéger directement une séquence G-quadruplex en utilisant un complexe de platine, formant un adduit métallique avec les bases de l’ADN. Grâce ce type de ligand d’ADN G-quadruplex, la liaison de coordination métallique joue le rôle de marqueur covalent. Nous avons déterminé sur gel d’électrophorèse la localisation des adduits formés par des complexes dérivés du tolylterpyridine-platine (Pt-ttpy) et étudié la cinétique de platination de l’ADN G-quadruplex. La fonctionnalisation du complexe Pt-ttpy par des groupements photoactivables a permis de réaliser un double-ancrage covalent dans une structure d’ADN G-quadruplex. Par ailleurs, la fonctionnalisation avec un fluorophore a conduit aux premières évaluations en milieu cellulaire.Enfin, notre panel de composés a été testé dans des conditions de capture supportée d’ADN G-quadruplex. Une mise au point de la technique de capture a été réalisée en utilisant des billes magnétiques recouvertes de streptavidine. Les expériences de capture sur billes ont montré que l’efficacité de nos outils varie en fonction de la topologie de la structure G-quadruplex ciblée et du ligand utilisé. Par ailleurs, le groupement photoactivable introduit sur certains de ces outils n’a pas permis d’améliorer la capture d’ADN G-quadruplex. Cependant, il a été possible d’utiliser ces outils en présence d’ADN génomique pour capturer efficacement de fragments d’ADN télomérique, par effet G-quadruplex.

Nucleic acids secondary structures may form in guanine-rich regions by Hoogsteen base-pairing around a cation (K+ or Na+) and stacking of guanine quartets. Those nucleic acid secondary structures called G-quadruplex are believed to play regulatory roles in the main functions related to DNA processing. However, although numerous sequences, potentially forming G4-structures are present in genomes, evidence concerning their in vivo formation and biological role remains limited. Primary aim of our research is to provide new chemical biology tools for evaluating the biological impacts of quadruplexes and the potential of our compounds for quadruplex-targeted anticancer therapy. We have synthetized a set of compounds equipped with biotin and cross linking moieties in order to trap and pull-down G4-structures in various cellular contexts. The G4-ligands (PDC, PhenDC3 and Metal-ttpy) were evaluated thanks to FID and FRET-melting assays, and carefully chosen to efficiently target G-quadruplexes but also to display enough selectivity for cellular assays. Direct trapping of a G-quadruplex structures can also be done by metal complexes, thanks to coordination with DNA bases. Platinum tolylterpyridine derivatives have been studied on gel electrophoresis to map the platination sites and to evaluate the kinetics of the phenomenon. By adding photo crosslinking moieties to Pt-ttpy, efficient double-anchoring has been done on DNA G-quadruplex structure. Moreover, first cellular imaging evaluations were done by adding a fluorophore to this platinum tolylterpyridine complex. To eventually probe quadruplex DNA at the genome-wide scale, full control of the trapping protocol is indeed a key step. Full development of the pull-down step has been done, using streptavidin-coated magnetic beads. On-beads experiments indicate that efficacy of trapping can vary dramatically depending on quadruplex and G4-ligand topologies. Moreover, photo crosslinking moiety, introduced on some compounds, has not shown any improvement of the trapping. However, the development of this method and the design of the capture compounds have led to an optimal isolation of telomeric G-quadruplex forming sequences, from genomic DNA.