Ligands de structures G-quadruplex d'acides nucléiques : modélisation, synthèse et activité antivirale

G quadruplex nucleic acids ligands : molecular modelling, synthesis and antiviral activity

• Auteur / Autrice : Tiffany Rundstadler
• Direction : Geneviève Pratviel, Jean-Luc Stigliani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Biologie - Santé
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse ; 1974-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Escudier, Daniela Verga
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Sol, Florent Di Meo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nucléosides antiviraux

Acides nucléiques

G-quadruplexes

Mots clés libres

G-quadruplex

ADN

ARN

Porphyrine

HIV-1

G-quadruplex

DNA

RNA

Porphyrin

HIV-1

Alchemical free energy

Résumé

Les séquences d'acides nucléiques riches en guanines peuvent former des structures non canoniques d'ADN ou d'ARN par repliements à 4 brins appelées G-quadruplex (G4). Ces structures particulières interviennent comme régulateurs dans les processus fondamentaux du vivant (transcription, traduction, etc.). De par leur structure originale les G4s peuvent être ciblés par des petites molécules, ou ligands, de façon à interférer avec leur fonction biologique. Les G4s ont notamment fait l'objet d'une attention particulière comme cible pharmacologique pour le traitement du cancer ou des infections virales. Il est à noter que dans le génome du virus VIH-1 les séquences de G4s se trouvent particulièrement bien conservées et constituent donc des cibles privilégiées. Les porphyrines sont connues pour être d'excellents ligands de G4. Certains dérivés de porphyrines portant plusieurs charges cationiques et présentant un coeur métallé par de l'or(III) possèdent une activité antivirale remarquable contre le virus VIH-1 qui de plus, se corrèle avec leur capacité à se lier in vitro à des G4s présents dans le génome du VIH-1. Le travail de thèse a consisté dans une première partie à préparer un dérivé biotinylé de la porphyrine la plus active sur le VIH-1 pour mieux comprendre son mécanisme d'action biologique et identifier les G4s cibles responsables de l'inhibition de la réplication virale par cette molécule. L'élaboration de ce dérivé biotinylé, a donné lieu à la synthèse d'une librairie de molécules qui ont fait l'objet d'une étude de relation structure/activité pour le ciblage des G4s. Le composé biotinylé ainsi optimisé a permis d'isoler de l'ARN du VIH-1 à partir de cellules infectées in vitro. Ce résultat démontre l'efficacité du composé porphyrine-biotine à séquestrer des ARNs viraux structurés en G-quadruplex et confirme donc l'existence de G4s essentiels à la réplication dans le génome de VIH-1. Dans une deuxième partie, la modélisation moléculaire est mise à profit afin, d'une part de compléter les études de relation structure/activité effectuées sur les porphyrines déjà synthétisées et d'autre part d'orienter la synthèse vers de nouvelles porphyrines dont l'affinité pour les G4s viraux et en conséquence, l'activité antivirale seraient meilleures. Nous avons pour cela effectué des calculs d'énergie libre d'interaction en appliquant la méthode de transformation alchimique, qui est basée sur un ensemble de simulations de dynamique moléculaire. La méthode a été dans un premier temps validée par la détermination des énergies libres d'interaction entre les porphyrines expérimentales et un G-quadruplex de VIH-1 dont la structure est décrite. Elle a ensuite été mise oeuvre sur une librairie originale de porphyrines fluorées et/ou nitrées. Ces résultats théoriques nous permettent de proposer de nouveaux dérivés de porphyrines potentiellement plus affins pour les G4s par comparaison avec la meilleure porphyrine antivirale prise comme référence.

Guanine-rich DNA and RNA sequences are capable of folding into non-canonic, four-stranded G-quadruplex structures referred to as G4. They are involved in the fundamental processes of life (transcription, translation, etc.). Due to their original structure they may be targeted by small molecules, or ligands, in order to tune their biological function. Indeed, G-quadruplex structures have received particular attention as potential pharmacological targets for the treatment of cancer or viral infections. It is worth noting that the G4 sequences of HIV-1 virus genome are highly conserved regions and thus correspond to attractive target. Porphyrins are known as excellent G4 ligands. Some porphyrin derivatives bearing several cationic charges and a central gold(III) metal ion show a noticeable antiviral activity against HIV-1 virus. Besides, their activity correlates with their affinity for viral G4s in vitro. The work was devoted, in a first part, to the preparation of a porphyrin-biotin conjugate of the most active porphyrin against HIV-1 in order to better understand its mechanism of action and to identify the targeted viral G4s responsible for the inhibition of viral replication by the porphyrin. The design/synthesis of such a biotinylated conjugate implied the preparation of a library of porphyrin derivatives that were subjected to a structure/activity study for their capacity of recognition of viral G4s. The resulting best porphyrin-biotin conjugate allowed the pull-down of HIV-1 RNA from infected cells in vitro. This result demonstrates the efficiency of the porphyrin-biotin conjugate to trap viral G4-folded RNA and confirms the importance of such structures in HIV-1 replication cycle. In the second part of the thesis, molecular modeling was used on the one hand, to explore the structure/activity relationship of already available porphyrin derivatives, and on the other hand, to propose new porphyrins endowed with higher affinity for G4s and as a consequence, better antiviral activity. We performed interaction free energy calculations with the Alchemical Binding Free Energy method based on successive molecular dynamic simulations. In a first step, we validated the method with existing porphyrins and a HIV-1 virus G4 sequence of known structure. Then, the method was applied to original fluoro- and nitro-porphyrin derivatives. The data allow us to propose some new porphyrins with potential higher affinity for G4 with respect to the best antiviral porphyrin taken as a reference compound.