Développement et implémentation d'une approche par fragments pour le design d'ARNs modifiés simple brin avec évaluation sur des protéines de liaison à l'ARN et un modèle d'étude la Bêta-Sécrétase 1

Development and implementation of a fragment-based approach to design single-stranded modified RNAs with evaluation on RNA-binding proteins and the Beta-Secretase 1 enzyme

• Auteur / Autrice : Taher Yacoub
• Direction : Fabrice Leclerc, Yann Ponty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et biologie structurale
• Date : Soutenance le 17/01/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Laboratoire d'informatique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Raphaël Guerois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Martin, Dorian Mazauric, Fariza Tahi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Juliette Martin, Dorian Mazauric

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes optimaux

Protéine amyloïde bêta

Médicaments de la maladie d'Alzheimer

Programmation (informatique)

Programmation (mathématiques)

Criblage pharmacologique

Protéines de liaison à l'ARN

ARN monocaténaire

Mots clés libres

Aptamères

Approche par Fragments

Algorithmes de complexité paramétrés

Color-Coding

Maladie d'Alzheimer

Beta-Sécrétase 1

Aptamers

Fragment-Based design

Parameterized complexity algorithms

Color-Coding

Alzheimer's disease

Beta-Secretase 1

Résumé

De nouvelles stratégies thérapeutiques ont émergé grâce aux aptamères qui sont des ligands à haute affinité générés par une méthode expérimentale appelée SELEX. Toutefois, leur utilisation demeure limitée en raison de leur manque de sélectivité et de leur liaison à d'autres cibles. Ces effets hors-cibles ("off-target") sont fréquemment observés dans toutes les stratégies thérapeutiques basées sur l'ARN. Pour accroître leur spécificité et sélectivité, des aptamères modifiés chimiquement in situ ont été générés par SELEX (SOMAmers). Néanmoins, des limitations techniques de SELEX persistent notamment dans le nombre et le type de modifications chimiques utilisables. Nous proposons donc une stratégie de conception in silico d'oligonucléotides modifiés pour s'affranchir de certaines de ces limitations. Pour ce faire, nous avons développé une nouvelle méthode de reconstruction d'ARN simple brin (ARNsb) basée sur l'approche par fragments, sur la connaissance 3D de la structure cible et sur la technique du Color-Coding développé par Alon, Yuster et Zwick. Celle-ci repose sur une modélisation de la connectivité des poses sous la forme d'un graphe permettant la mise en œuvre d'un algorithme combinatoire efficace par programmation dynamique. Cette approche est implémentée pour le « Docking » (recherche du mode de liaison natif) à partir d'une distribution donnée de fragments, pour le « Design » thérapeutique de-novo d'un ARNsb et pour l'analyse statistique de caractéristiques afin d'obtenir des informations entre les poses et la protéine (par exemple, l'analyse de profils de séquence ou la probabilité d'une pose d'appartenir à une chaine ARNsb). Cette nouvelle approche a fait l'objet d'une preuve de concept sur sept complexes ARNsb/protéines et a démontré des résultats pertinents, robustes et exploitables dans une perspective de design.Pour mettre à l'épreuve cette nouvelle méthodologie, une étude de cas a été faite sur l'enzyme Beta-Sécrétase 1 (BACE1, impliquée dans la maladie d'Alzheimer) et son homologue Beta-Sécrétase 2 (BACE2) afin de concevoir un ARNsb sélectif de BACE1. Pour ce faire, une étude a été réalisée afin de déterminer les caractéristiques clés de la spécificité et sélectionner des nucléotides modifiés pouvant se lier aux sites et sous-sites fonctionnels de BACE-1. Ces résultats pourront servir de base pour le design d'ARNsb sélectif et pour l'évaluation de la méthodologie basée sur le Color-Coding.

New therapeutic strategies have emerged using aptamers that are high-affinity ligands generated using a procedure called SELEX. Nevertheless, their use are limited due to the lack of selectivity and off-target effects frequently observed as in all RNA-based therapeutic strategies. In order to increase their specificity and selectivity, a class of chemically modified aptamers has been designed in-situ by SELEX (“SOMAmers”). But, various limitations remain due to technical constraints in SELEX, in particular the number and the type of chemical modifications that can be used. We propose a new fragment-based strategy to design in-silico modified aptamers that will overcome some of these limitations, based on the knowledge of 3D structure and the color-coding technique introduced by Alon, Yuster and Zwick. This approach is based on the modeling of pose connectivity in the form of a graph, enabling the implementation of an efficient combinatorial algorithm using dynamic programming. It is used for the “Docking” from a given fragment distribution, the “Design” and the equilibrium statistics for learning features between fragments and the 3D protein, and has been the subject of a proof of concept on 7 ssRNA/protein complexes.To test this new approach on a real therapeutic case study, an analysis has been carried out on the Beta-Secretase 1 (BACE1), an enzyme involved in Alzheimer's disease, and the Beta-Secretase 2 (a homologous protein to BACE1) to determine the key features of specificity and to select the modified nucleotides that bind sites and subsites of BACE1. These results can provide a basis for the design of selective ssRNA and for the evaluation of the Color-Coding based methodology.