Lien entre le cannabis médicinal et l'axe de signalisation autotaxine acide lysophosphatidique : développement d'inhibiteurs inspirés des cannabinoïdes

Linking medicinal cannabis to autotaxin lysophosphatidic acid signalling and development of cannabinoid-inspired inhibitors

• Auteur / Autrice : Mathias Eymery
• Direction : Andrew McCarthy, Ahcène Boumendjel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale et nanobiologie
• Date : Soutenance le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : European molecular biology laboratory (Grenoble, Isère, France ; 1976-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Peyruchaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wim Burmeister, Joanna Timmins
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Le Borgne, Anastassis Perrakis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métastases

Cancer

Cellules -- Motilité

Acide lysophosphatidique

Cannabis

Mots clés libres

Chimie médicinale

Autotaxine

Cristallographie

Drug design

Autotaxin

Crystallography

Résumé

L'autotaxine (ATX) est une lysophospholipase D de 115-125 kDa impliquée dans une large gamme de processus physiologiques et pathologiques. Cette enzyme fait partie de la famille des ectonucléotides pyrophosphatases/phosphodiestérases et elle est également appelée ENPP2. L'ATX est principalement impliquée dans le métabolisme des phospholipides et la production d'acide lysophosphatidique extracellulaire (LPA) à partir de l'acide lysophosphatidylcholine (LPC). Aussi, la structure de l’autotaxine a été largement étudiée et repose sur (i) deux domaines flexibles de type somatomédine B (SMB), impliqués dans les interactions protéine-protéine, (ii) un domaine phosphodiestérase conservé responsable de l'activité catalytique, et (iii) un domaine nucléase inactif. Les informations structurales sur l'ATX montrent que le site actif contient deux ions zinc, permettant la liaison et le clivage de la lysophosphatidylcholine. Un point majeur de la reconnaissance du substrat par le site actif ATX est la présence d'une poche hydrophobe, permettant l'accommodation du LPA et du LPC. L'implication de l'ATX dans un large éventail de maladies humaines peut être mise en évidence à la fois par la recherche fondamentale et les essais cliniques. Il a été démontré que l'ATX favorise de façon importante la progression du cancer et les métastases car cette enzyme est responsable de la génération de LPA. Le LPA est un facteur de croissance, régulant de nombreuses fonctions cellulaires différentes, dont certaines sont importantes pour les cellules cancéreuses. Notamment, il a été montré que le LPA est un facteur de motilité cellulaire et que l'inhibition de l'ATX entraîne une réduction de l'invasion cellulaire in vitro du fait de la diminution de la concentration de LPA dans les fluides environnants. Divers inhibiteurs de l'ATX ont déjà été développés et certains font actuellement l'objet d'essais cliniques. Cependant, les composés avec des paramètres pharmacocinétiques satisfaisants et une faible toxicité sont limités.De plus, la distribution de l'ATX est spécifique aux tissus et la plupart des recherches se sont concentrées sur les isoformes β et α. Pour l’ATX-γ, vraisemblablement liée à de nombreuses maladies neurologiques, une compréhension plus approfondie est nécessaire pour concevoir et développer des inhibiteurs plus spécifiques de cette isoforme et pour comprendre pleinement son rôle physiopathologique.Récemment, nous avons découvert que l'ATX était inhibée par divers cannabinoïdes. En particulier, le THC et le delta 6a,10a-THC réduisent l’activité catalytique de l'ATX en tant qu'inhibiteurs de type mixte à des concentrations nanomolaires. Les paramètres pharmacocinétiques des cannabinoïdes sont largement étudiés et il existe un consensus sur le fait qu'ils traversent la BHE et se lient aux récepteurs CB1 et CB2, ce qui en fait un point de départ idéal pour inhiber spécifiquement l'ATX dans le cerveau. Bien que les cannabinoïdes se soient révélés être d'excellents inhibiteurs de l'ATX, leurs inconvénients majeurs concernent la réglementation, la législation et l'acceptation par les patients, les rendant moins désirables pour le développement pharmaceutique, mais permettant l’émergence d’inhibiteurs de l’ATX inspirés des cannabinoïdes. Ainsi, nous avons utilisé le THC comme base pour explorer diverses molécules présentant une similarité chimique et structurale partielle, en particulier de la famille des benzopyrènes, telles que les chromones et les flavones d'origine naturelle. Le processus de criblage, d'identification et d'optimisation nous a permis d'identifier MEY-003. Le profil d'inhibition de MEY-003 a été rationalisé grâce à des études de biologie structurale. MEY-003 a une structure unique par rapport aux inhibiteurs de l'ATX publiés précédemment, ce qui pourrait potentiellement conduire au développement de nouveaux médicaments ciblant l'axe ATX-LPA avec moins d'effets secondaires.

Autotaxin (ATX) is a 115-125 kDa lysophospholipase D involved in a wide range of physiological and pathological processes. This enzyme is a member of the ectonucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase family and is also known as ENPP2. ATX is mainly involved in phospholipid metabolism and the production of extracellular lysophosphatidic acid (LPA) from l lysophosphatidylcholine (LPC). The structure of ATX has been extensively studied and is based on (i) two flexible somatomedin B (SMB) domains involved in protein-protein interactions, (ii) a conserved phosphodiesterase domain responsible for catalytic activity, and (iii) an inactive nuclease domain. Structural information on ATX shows that the active site contains two zinc ions, allowing the binding and cleavage of lysophosphatidylcholine. A major feature of substrate recognition by the ATX active site is the presence of a hydrophobic pocket, allowing accommodation of LPC substates and LPA products. The involvement of ATX in a wide range of human diseases has been demonstrated in both basic research and clinical trials. ATX has been shown to be important for cancer progression and metastasis as this enzyme is responsible for the generation of LPA and regulating many different cellular functions, some of which are important for cancer cells. In particular, it has been shown that LPA is a factor in cell motility and that inhibition of ATX leads to a reduction in cell invasion in vitro due to a decrease in the concentration of LPA in the surrounding fluids. Various ATX inhibitors have already been developed and some are currently in clinical trials. However, compounds with satisfactory pharmacokinetic parameters and low toxicity are limited and there is still no approved drug for ATX-related brain diseases. Furthermore, the distribution of ATX is tissue specific and most research has focused on the α and β isoforms. For ATX-γ, which is likely to be linked to many neurological diseases, a deeper understanding is needed in order to design and develop more specific inhibitors of this particular isoform, as well as fully understanding its pathophysiological role. In this work I show that ATX is inhibited by various cannabinoids. In particular, tetrahydrocannabinol (THC) and delta 6a,10a-THC reduce the catalytic activity of ATX-β and γ isomers as mixed-type inhibitors at nanomolar concentrations. The pharmacokinetics of cannabinoids are widely studied and there is consensus that they cross the blood brain barrier (BBB) to bind Cannabinoid (CB) 1 and 2 receptors, making them an ideal starting point for specifically inhibiting ATX in the brain. Although cannabinoids have proven to be excellent ATX inhibitors, their major drawbacks relate to regulation, legislation and patient acceptance, making them less desirable for development but paving the way towards new cannabinoid-inspired ATX inhibitors. Therefore, we used THC as a basis to explore diverse molecules with partial chemical and structural similarity, particularly those sharing a benzopyrane moiety such as naturally occurring chromones and flavones. The process of screening, hit identification and hit optimization allowed us to identify MEY-003 as a potent and safe inhibitor of ATX. The inhibition profile of MEY-003 was rationalized through advanced structural biology drug discovery studies. MEY-003 has a unique structure compared to previously published ATX inhibitors that could potentially lead to the development of new drugs targeting the ATX-LPA axis with fewer side effects