Characterization of therapeutic inhibitor complexes with metalloproteins : case of HIV-1 integrase
Caractérisation de complexes d'inhibiteurs à visée thérapeutique avec des métalloprotéines : cas de l'intégrase du VIH-1
Résumé
The Human Immunodeficiency Virus type 1 (HIV-1); causative agent of the Acquired Immunodeficiency Syndrome (AIDS) has a viral ezyme that is essential to its replicative cycle; the Integrase (IN). It allows the integration of the viral genome into human target cells, via two steps; the 3’processing followed by the strand transfer step. Therefore, the HIV-1 integrase constitutes a major therapeutic target. Nowadays, anti-IN therapies resort to the usage of inhibitors belonging to the diketoacid family (DKAs) which act at the interface of the integrase-viral DNA intasome, specifically inhibiting the strand transfer step, earning thus the name of strand transfer inhibitors (INSTIs). The most effective INSTI to date is Dolutegravir (DTG), but despite its initial success, this drug has caused the development of resistance mutations at the integrase level in patients, compromising the long-term efficacy of anti-drug therapies. Therefore, we aim to strengthen the interactions of DKAs and in particular of DTG with the viral DNA, at the IN-DNA interface in order to bypass the need for specific interactions with the protein and thus overcome the resistance mutations. We started with the optimization of the halogenated ring of DTG, since this structure makes specific and direct contacts with the terminal bases of viral DNA; C16 and G4. This optimization was based on substitutions of halogens and of electron donor and attractor groups. The efficiency of our new halogenated substituted structures, compared to DTG, was then evaluated by calculating their intermolecular interaction energy (∆E) with the C16 and G4 rings, via quantum mechanical and molecular mechanical methods based on polarisable potentials. An additional evaluation was made by determining their electrostatic potential contours in order to assess the effect of our substitutions on the electron distribution for each ring and therefore on the interactions of the latter with the viral terminal bases. Following the design and evaluation of our new halogenated derivatives from DTG, we extrapolated our study to a larger scale, by monitoring the behavior of our new inhibitors taken entirely, within the viral intasome in the presence of Mg2+, via molecular dynamics simulations in explicit solvent with a polarizable potential. These simulations allowed us to study in detail the interactions of our new molecules with the different partners; IN and viral DNA and compare them to the mode of action of DTG. In addition, we simulated DTG with each partner alone in order to compare its interaction with each one highlighting subsequently its better interaction with viral DNA, which allows it to be insensitive to IN resistance mutations. The last part of this thesis is based on the determination of Gibbs free energies (∆G) for the simulated systems; DNA-Integrase-halogenated drugs, DNA-DTG and Integrase-DTG in order to first confirm the more stable interaction of DTG with viral DNA compared to IN and then to demonstrate that our new substitutions reinforced the interactions of the new inhibitors with the viral intasome and in particular with DNA, allowing the generation of new strand transfer inhibitors capable of circumventing the problem of resistance.
Le Virus de l’Immunodéficience Humaine de type 1 (VIH-1) ; agent causal du Syndrome d’Imunonodéficience Acquise (SIDA) possède une enzyme virale essentielle à son cycle réplicatif ; l’Intégrase (IN). Elle permet l'intégration du génome viral dans les cellules cibles humaines, via deux étapes ; « le 3’processing » suivi de l’étape de transfert de brin. Par conséquent, l’intégrase du VIH-1 constitue une cible thérapeutique majeure. De nos jours, les thérapies anti-IN ont recours à l'utilisation d'inhibiteurs appartenant à la famille des dicétoacides (DKAs) qui agissent à l'interface de l'intasome Intégrase-ADN viral, inhibant spécifiquement l'étape de transfert de brin, ce qui leur a valu le nom d'inhibiteurs de transfert de brin (INSTIs). L'INSTI le plus efficace à ce jour est le Dolutégravir (DTG), mais malgré son succès initial, ce médicament a causé le développement de mutations de résistance au niveau de l’intégrase chez les patients traités, compromettant l'efficacité à long terme des thérapies anti-VIH. Par conséquent, nous visons dans nos travaux de thèse, à renforcer les interactions des DKAs et notamment du DTG avec l'ADN viral, à l'interface IN-ADN afin de contourner le besoin d'interactions spécifiques avec la protéine et surmonter ainsi les mutations de résistance. Nous avons commencé par l’optimisation du noyau halogéné du DTG, étant donné que cette structure effectue des contacts spécifiques et directes avec les bases terminales de l’ADN viral ; C16 et G4. Cette optimisation s’est basée sur des substitutions d’halogènes et de groupements donneurs et attracteurs d’électrons. L’efficacité de nos nouvelles structures halogénées substituées, par rapport au DTG, a été ensuite évaluée par calcul de leur énergie d’interaction intermoléculaire (∆E) avec les noyaux de C16 et G4, via des méthodes de calculs basés sur la mécanique quantique et la mécanique moléculaire polarisable. Une évaluation supplémentaire a été faite par détermination des contours de potentiel électrostatique pour chaque noyau afin d’évaluer l’effet de nos substitutions sur la répartition électronique et donc sur les interactions de ces derniers avec les bases terminales virales. Suite à la conception et l’évaluation des nouveaux dérivés halogénés à partir du DTG, nous avons extrapolé notre étude à une échelle plus grande, par le suivi du comportement de nos nouveaux inhibiteurs pris entièrement au sein de l’intasome viral en présence de Mg2+et ceci via des simulations de dynamique moléculaire polarisable en solvant explicite. Ces simulations nous ont permis d’étudier en détails les interactions de nos nouvelles molécules avec les différents partenaires ; IN et ADN viral et de les comparer au mode d’action du DTG. De plus, nous avons simulé le DTG avec la protéine et l’ADN pris séparément, afin de comparer son interaction avec chacun des deux et de mettre en relief par la suite sa meilleure interaction avec l’ADN viral expliquant ainsi sa moindre sensibilité aux mutations de résistance de l’IN. La dernière partie de cette thèse repose sur la détermination des énergies libres de Gibbs (∆G) pour les systèmes que nous avons simulés ; ADN-Intégrase-drogues halogénées. ADN-DTG et Intégrase-DTG afin de confirmer tout d’abord l’interaction plus stable du DTG avec l’ADN viral par rapport à l’IN puis démontrer que nos nouvelles substitutions ont renforcé les interactions des nouveaux inhibiteurs avec l’intasome viral et notamment avec l’ADN, permettant la génération de nouveaux inhibiteurs de transfert de brin capables de contourner le problème de résistance.
Origine : Version validée par le jury (STAR)