Design, synthesis and characterization of protein-protein interaction disruptors related to early amyloidogenic phenomena in Alzheimer's disease

par Johanna Giovannini

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Anne-Sophie Voisin-Chiret.

Soutenue le 07-12-2021

à Normandie en cotutelle avec l'Università degli Studi di Bari Aldo Moro (Bari, Italie) , dans le cadre de École doctorale normande de chimie (Caen) , en partenariat avec Centre d'études et de recherche sur le médicament de Normandie (Caen ; 2008-....) (laboratoire) et de Université de Caen Normandie (établissement de préparation) .

Le président du jury était Patrick Trouillas.

Le jury était composé de Anne-Sophie Voisin-Chiret, Yves Jacquot, Isabelle Berque-Bestel, Marco Catto, Jana de Oliveira Santos.

Les rapporteurs étaient Yves Jacquot, Isabelle Berque-Bestel.

mots clés

• Tauopathie
• Structure-based drug design
• Alzheimer, Maladie d'
• Interactions protéine-protéine
• Agrégation (chimie)
• Protéine tau
• Médicaments -- Conception

Titre traduit

Conception, synthèse et caractérisation de perturbateurs des interactions protéine-protéine liées aux phénomènes précoces amyloïdogéniques dans la maladie d’Alzheimer

Résumé

Les tauopathies, dont la maladie d'Alzheimer (MA), sont des maladies neurodégénératives caractérisées par la présence de dégénérescences neurofibrillaires (DNF). Les DNF sont liées à une agrégation anormale de la protéine tau. Des séquences peptidiques clés ont été identifiées comme responsables de l'oligomérisation précoce, initiant l'ensemble du processus amyloïdogénique. Elles adoptent une structuration en feuillets β et s'empilent, initiant ainsi l'agrégation de la protéine. Notre but est de synthétiser de petites molécules perturbatrices des interactions protéine-protéine afin d'empêcher l'agrégation précoce de la protéine tau. Ce travail a été initié par une analyse conformationnelle de l'hexapeptide clé de la protéine tau impliqué dans l'agrégation, appelé PHF6 (pour Paired Helical Filament hexapeptide). Nous avons construit des agrégats PHF6 et évalué leur stabilité par des simulations de dynamique moléculaire et des analyses des interactions intra et intermoléculaires. Ensuite, nous avons lancé des simulations de ces agrégats de PHF6 avec un perturbateur de l'agrégation de la protéine tau et proposé des mécanismes de perturbation de l'agrégation.Ensuite, un criblage par similarité de notre chimiothèque interne basé sur la structure de la palmatine et des tests in vitro ont fourni 40 structures comme points de départ pour la conception rationnelle et la synthèse de petites molécules susceptibles de perturber les interactions entre les fibrilles amyloïdes. Enfin, nous avons mis en place un nouveau type de simulation en 3D pour comprendre le processus d'agrégation précoce de la protéine tau, qui met en évidence l'agrégation progressive du peptide PHF6 initialement désordonné. Cette simulation a également été réalisée avec deux composés afin d'évaluer leur capacité d'inhibition de l'agrégation à des stades très précoces.

mots clés

• Alzheimer’s disease
• Protein-protein interactions
• Aggregation
• Tau protein
• Tauopathy
• Structure-Based Drug Design

Résumé

Tauopathies, including Alzheimer’s disease (AD), are neurodegenerative diseases characterized by the presence of neurofibrillary tangles (NFTs). NFTs are related to abnormal tau protein aggregation. Key-peptide sequences were identified as responsible for early oligomerization, initiating the whole amyloidogenic process. They adopt a β-sheet structuration and pile themselves up, guiding the protein aggregation initiation. We are aiming to synthesize small molecules as protein-protein interaction disruptors in order to prevent early stage of tau protein aggregation. The presentwork was initiated by a conformational analysis of tau protein key hexapeptide implied in aggregation, called PHF6 (for Paired Helical Filament hexapeptide). We built preformed PHF6 aggregates and assessed their stabilities through molecular dynamics simulations and analyses of intra and intermolecular interactions. Then, MD simulations of PHF6 aggregates with a tau protein aggregation disruptor were launched and mechanisms of aggregation disruption were proposed. Then, similarity screening of our in-house chemical library based on palmatine chloride and in vitro tests provided 40 scaffolds as starting points for the rational design and synthesis of small molecules that could disturb the amyloid fibril interactions. Finally, we set up a new kind of 3D-simulation to comprehend early tau protein aggregation process that brought up together disordered PHF6 peptide gradually aggregating. This simulation was also carried out with two compounds in order to assess their aggregation inhibition capacity in very early stages.