Découverte et optimisation d'inhibiteurs de la métalloprotéase ERAP1 par la Kinetic Target-Guided Synthesis et par le criblage de fragments

Discovery and Optimization of ERAP1-Metalloprotease Inhibitors through Kinetic Target-Guided Synthesis and Fragment-Based Screening

• Auteur / Autrice : Vasileios Fougiaxis
• Direction : Rebecca Deprez-Poulain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomolécules, pharmacologie, thérapeutiques
• Date : Soutenance le 25/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Médicaments et Molécules pour agir sur les Systèmes Vivants (Lille)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Hernandez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pieter Van der Veken, Didier Roche, Séverine Ravez, Nour Bou Karroum
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Hernandez, Pieter Van der Veken
• DOI : 10.70675/d0df24d5z11d9z4882za528z07258da735cc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie click

Présentation d'antigène

antagonistes et inhibiteurs

Metalloproteases

Chimie click

Cellules présentatrices d'antigènes

Protéines à zinc

Inhibiteurs

Métalloprotéinases

Mots clés libres

ERAP1

Métalloprotéases

Inhibiteurs

KTGS

Criblage de fragments

Présentation antigénique

ERAP1

Metalloproteases

Inhibitors

KTGS

Fragment-based screening

Antigen presentation

Résumé

L’endoplasmic reticulum aminopeptidase 1 (ERAP1) est une métalloprotéase à zinc de la famille M1, impliquée dans le processing des antigènes. Avec l’aminopeptidase homologueERAP2, elle intervient dans le clivage de l’extrémité N-terminale des peptides précurseurs afin de générer des épitopes matures et prêts à être chargés sur les molécules du complexe majeur d’histocompatibilité de classe I (CMH-I), induisant finalement la réponse immune cellulaire. La modulation d’ERAP1 par des petites molécules pour des applications thérapeutiques potentielles dans les maladies auto-immunes et l’immuno-oncologie est actuellement au centre d’efforts importants de recherche. L’inhibition sélective d’ERAP1 est un challenge en raison de la grande similarité structurale des protéines de la famille de M1-aminopeptidases. Il est donc impératif d’identifier et d’optimiser de nouveaux squelettes chimiques capables de moduler sélectivementERAP1.Dans la première partie de cette thèse, nous avons identifié et optimisé des inhibiteurs d’ERAP1par la KTGS (Kinetic Target-Guided Synthesis). La KTGS est une stratégie de synthèse des ligands guidée par les protéines elles-mêmes. Une librairie de 250 alcynes variés a été utilisée en combinaison (chimie ''click'') avec 13 porteurs d’une fonction azoture hydroxamate. ERAP1 a catalysé la synthèse de triazoles ciblant le site catalytique et les ligands assemblés ont été détectés par spectrométrie de masse. Nous avons identifié 18 « hits » présentant une inhibition micromolaire dose-dépendante de hERAP1. Des études de relation structure-activité ont permis de concevoir des analogues dont 3 inhibiteurs sont plus puissants (IC50 < 10 μM) que le hit initial.La deuxième approche a consisté en un criblage biochimique d’une librairie de fragments(∼3000 composés) sur hERAP1 (FBDD). Le FBDD permet d’identifier des composés de masse moléculaire faible qui peuvent ensuite être optimisés pour se lier plus efficacement aux poches protéiques. Après avoir appliqué divers filtres (confirmation de la dose-réponse, LE, LLE,disponibilité commerciale, accessibilité synthétique et potentiel de dérivatisation), nous avons sélectionné 13 chimiotypes (hits) qui ont été explorés et optimisés par « fragment growing ». Une série chimique dérivée de l’acide 2-thiénylacétique a été priorisée et des études de docking moléculaire ont permis de proposer un mode de liaison des analogues à hERAP1.

Endoplasmic reticulum aminopeptidase 1 (ERAP1) is a zinc-metalloprotease of the M1-family, implicated in the antigen processing and presentation pathway. Together with the highly homologous isoform ERAP2, they mediate the N-terminus trimming of peptide precursors in order to generate mature antigenic epitopes ready for loading upon major histocompatibility complex class I (MHC-I) molecules, ultimately eliciting T-cytotoxic cellular responses. Modulation ofERAP1 and putative therapeutic applications in autoimmune disorders and immune-oncology have been in the center of recent efforts to develop small molecules able to fine-tune immune dysregulation. Targeted and controlled inhibition of ERAP1 constitutes a challenging task because of the high structural similarity and broad substrate specificity within the M1-aminopeptidase subfamily. Therefore, the identification and optimization of potent and novel chemical scaffolds for selective modulation of ERAP1 is imperative. In the first part of the following PhD thesis we present and discuss the identification and development of ERAP1 inhibitors through kinetic target-guided synthesis (KTGS). KTGS is a protein-templated strategy able to provide potent hits against druggable targets. A library of 250diverse alkynes was used in combination (in situ “click” chemistry) with 13 in-house synthesized hydroxamate azide warheads. ERAP1 catalyzed the equilibrium-driven synthesis of 1,4- or 1,5-disubstituted hydroxamic acid triazole mixtures targeting the catalytic site and the assembled ligands were detected by mass-spectrometry. We successfully identified 18 hits displaying a dose dependent inhibition of hERAP1 at low micromolar range. These are appealing starting points for further hit-to-lead optimization and SAR studies leading to 3 inhibitors of improved potency (IC50< 10 μM). The second approach involved a fragment-based biochemical screening of a large in-house and commercial library (∼3000 fragment entries) against hERAP1. Fragment-based methods can identify low-molecular weight hits that can be optimized to bind into a small protein region more efficiently. After applying various filters (dose-response confirmation, LE, LLE, commercial availability, synthetic feasibility and derivatization potential) we selected 13 confirmed chemotypes (hits) that were further explored and optimized by fragment-growing efforts. One chemical series (2-thienylacetic acid) was prioritized and supplementary in silico docking studies were performed (catalytic and allosteric sites) to visualize the binding mode of the developed analogues.