Approches intégratives pour l'identification des cibles biologiques de l'argon en utilisant une analyse in silico, la cristallographie et des essais biologiques

Integrative approaches to identify biological targets for argon using in silico analysis, crystallography and biological assays

• Auteur / Autrice : Islem Hammami
• Direction : Nathalie Colloc'h, Ira M. Katz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 10/03/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Imagerie et stratégies thérapeutiques pour les cancers et tissus cérébraux (Caen ; 2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Jana de Oliveira Santos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Chaloin, Jérôme Santolini, Isabelle Broutin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Chaloin, Jérôme Santolini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrophobicité

Sites actifs (biochimie)

Cristallographie

Simulation par ordinateur

Mécanisme d'action

Argon

Mots clés libres

Analyse in silico

Argon

Biological targets

In silico analysis

Hydrophobicity

Noble gas

Binding site

Protein activity assay

Crystallography

Résumé

L’argon (Ar) appartient au groupe des gaz rares chimiquement inertes, qui présente un large spectre de propriétés biologiques cliniquement utiles en neuro- et organo-protection. Cette thèse est consacrée à l’identification de cibles biologiques de l’Ar en utilisant des approches intégratives afin de déterminer son mécanisme d’action qui expliquerait ses effets biologiques intéressants.Ce projet s’articule autour de trois axes principaux.L’analyse in silico est basée sur une méthode que nous avons élaborée visant à identifier des sites de liaison de l’Ar potentiellement bioactifs dans des familles de protéines. Cette méthode consiste à déterminer au sein des protéines d’une famille choisie structuralement alignées, des sites de liaison de gaz nobles pertinents qui doivent être conservés, hydrophobes et localisés dans une zone potentiellement fonctionnelle, avoir une bonne énergie de liaison et une forme bien définie. L’analyse in silico vise à cribler rapidement des familles de protéines susceptibles d’être modulées par l’Ar.Le deuxième axe, la cristallographie sous pression de gaz nobles, a été utilisée pour vérifier la correspondance entre les sites prédits et les sites expérimentaux liant des gaz nobles au sein de cibles potentielles sélectionnées. Nous avons vérifié cristallographiquement les sites de liaison d’Ar identifiés in silico dans la thermolysine (TLN), les kinases 2 régulées par un signal extracellulaire (ERK2), le domaine H-NOX de la guanylate cyclase soluble (sGC) et du superoxyde dismutase (SOD). Nous avons obtenu des résultats cristallographiques satisfaisants pour la TLN et le domaine H-NOX de la sGC.Le troisième axe, les tests d’activité de quelques cibles potentielles en présence d’argon, ont été menés pour étudier l’étude des effets biologiques potentiels de l’Ar. Nous avons déterminé que l’Ar n’affecte pas directement l’activité de la sGC et des récepteurs métabotropiques de glutamate (mGluR) mGluR 1, 2 et 4 isolés. En tenant compte du contexte cellulaire, nous avons montré que l’Ar module directement ou indirectement l’activité de l’oxyde nitrique synthase (NOS), la SOD, la catalase et la myélopéroxydase (MPO).En intégrant les données issues des trois approches, l’hypothèse de l’implication de la NOS et la SOD, directement ou indirectement, dans le mécanisme d’action de l’Ar semble être la plus plausible. L’argon réduit l’activité de la NOS et active la SOD, modulant ainsi la voie de signalisation dépendant du NO et les processus liés au stress oxydatif.

Argon belongs to the group of chemically inert noble gases, which nonetheless, turn out to display a remarkable spectrum of clinically useful biological properties in neuro- and organoprotection. This thesis is devoted to the identification of biological protein targets for argon using integrative approaches in an attempt to determine its mechanism of action that could explain its interesting biological effects.The project is structured around three main axes.The in silico analysis axis is based on a method, we have elaborated which allows to identify potentially bioactive argon binding sites within protein families. This method consists in determining within structurally aligned proteins the relevant noble gas binding sites that should be conserved, hydrophobic and localized in a likely functional area, have a good binding energy and a well-defined shape. The in silico analysis aims to screen rapidly a few protein families that are likely to be modulated by Ar.The second axis, crystallography under noble gas pressure was used to verify the match/mismatch between predicted and experimental noble gas binding sites within selected potential targets. We checked experimentally the in silico identified relevant Ar binding sites within Thermolysin (TLN), extracellular signal-regulated kinases 2 (ERK2), H-NOX domain of soluble Guanylate Cyclase (sGC) and Superoxide Dismutase (SOD). We obtained satisfying crystallographic results for TLN and H-NOX domain of sGC.The third axis, the activity assays of a few selected potential targets in the presence of Ar were conducted to investigate argon’s potential biological effects. We determined that Ar does not affect directly the activity of isolated sGC and metabotropic Glutamate Receptors (mGluR)mGluR 1, 2 and 4. Taking into consideration the cellular context, we showed that Ar does modulate directly or indirectly Nitric Oxide Synthase (NOS), SOD, catalase and Myeloperoxidase (MPO) activities. By integrating data emerging from the three approaches, the hypothesis of NOS and SOD involvement, directly or indirectly, in Ar’s mechanism of action seems to be the most plausible. Ar both reduces NOS activity and activates SOD, modulating NO signaling pathway and the oxidative stress phenomena.