Profilage in silico de la protéine multifonctionnelle Mfd, une cible thérapeutique innovante dans la lutte contre l'antibiorésistance bactérienne

In silico profiling of Mfd, a multifunctional protein as an innovative target for the development of new drugs to combat bacterial antimicrobial resistance

• Auteur / Autrice : Samantha Samson
• Direction : Gwénaëlle André-Leroux, Nalini Rama Rao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et biologie structurale
• Date : Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mathématiques et Informatique Appliquées du Génome à l'Environnement (Jouy-en-Josas, Yvelines)
• 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 : Eric Doris
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jana de Oliveira Santos, Juan Cortés, Stéphanie Baud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jana de Oliveira Santos, Juan Cortés
• DOI : 10.70675/e49132b7z567az4ca5z8e34z9959b6f24f8b

Mots clés

Mots clés contrôlés

ADN -- Réparation

Simulation de docking moléculaire

Dynamique moléculaire

Résistance aux antibiotiques

Bactéries -- Effets des médicaments

Microorganismes -- Mutation

Virulence (microbiologie)

Innovation

Mots clés libres

Mfd

Cycle structure-fonction

Marrage de ligands analogues d'ATP

Optimisation de hit en lead

Dynamique moléculaire

Mfd

Functional and Structural cycle

Docking of ATP analogs

Hit to lead optimization

Molecular Dynamics

Résumé

Face à la montée préoccupante de la résistance aux antibiotiques, la recherche de nouveaux antimicrobiens constitue un enjeu de santé urgent. Nous avons identifié la protéine bactérienne Mutation Frequency Decline (Mfd) comme étant une cible thérapeutique innovante pour le développement de nouveaux médicaments. Un criblage in silico à haut débit a été réalisé, dans un premier temps, afin de sélectionner des molécules pouvant se lier spécifiquement au site actif de la protéine et inhiber son activité, empêchant donc la résistance bactérienne face au stress immunitaire de l'hôte. Les molécules identifiées se sont révélées efficaces in vitro et efficaces et non toxiques in vivo, dans un modèle d'infection chez l'insecte, sur au moins deux pathogènes bactériens. Ces données préliminaires ont constitué une preuve de concept du potentiel innovant de ces molécules et ont également servi de base aux travaux présentés dans cette thèse.L'objectif principal de ce travail était l'identification des interactions moléculaires critiques entre ces molécules inhibitrices et le site actif de Mfd chez E. coli, ainsi que l'élargissement de cette analyse aux pathogènes prioritaires du groupe ESKAPE. En conséquence de quoi, un modèle optimal d'inhibiteur a été déterminé et ses dérivés sont actuellement testés in vitro et in vivo en tant que potentiels agents antimicrobiens. En parallèle, l'analyse de la séquence et de la structure de Mfd, provenant de souches environnementales et cliniques, met en évidence les caractéristiques d'une corrélation moléculaire entre la séquence de Mfd et le phénotype de virulence du pathogène. La confirmation in vitro est actuellement en cours d'évaluation. Enfin, mon objectif final est de repositionner la fonction motrice de Mfd dans un cadre plus large de remodelage conformationnel et fonctionnel afin de mieux comprendre cette cible et son rôle dans la réparation par excision de nucléotides. En produisant plusieurs simulations de dynamique moléculaire sur des « linkers » clés qui relient les principaux modules fonctionnels de Mfd, l'investigation de leur flexibilité intrinsèque et de leur conservation vise à récapituler le remodelage extensif des conformations de Mfd au cours de son cycle fonctionnel, tel qu'il a été décrit précédemment par cryo-EM. Cela a pour but de documenter dans quelle mesure ces linkers, qui relient cette protéine multi-modulaire, sont plus que de simples ''connecteurs'' et portent, dans leur séquence et leur longueur, des propriétés internes leur permettant d'adopter des états discrets garantissant la transition boucle-hélice nécessaire au bon fonctionnement de Mfd.

In an alarming context of antibiotic resistance, the search for new antimicrobials is an urgent health issue. We had identified the bacterial protein Mutation Frequency Decline (Mfd) as an innovative target for the development of new drugs. A high throughput in silico screening was initially performed in order to select molecules specifically binding to the active site of the target and inhibiting its activity, thereby preventing bacterial resistance to host immune stress. The identified hits were shown to be efficient in vitro and efficient and non-toxic in vivo, in an insect model of infection on at least two bacterial pathogens. These preliminary data have constituted a proof of concept of the innovative potential of these hits and were also the basis of this thesis.The main objective of this work was the identification of the critical molecular interaction found between those hits and the active site of Mfd in E. coli and also enlarged to the priority pathogens of the ESKAPE group. As a result, an optimal inhibitor scaffold was determined and its derivatives are currently tested in vitro and in vivo as potential antimicrobial agents. In parallel, the sequence and structure analysis of Mfd, from environmental and clinical strains, showcase the basic features of a molecular correlation between Mfd sequence and virulence phenotype. The in vitro confirmation is currently being evaluated. Finally, my goal reposition this motor function of Mfd into a larger conformational and functional remodeling of Mfd in order to get a better understanding of this target and its role in the Nucleotide Excision Repair. Using molecular dynamics simulation on distinguished linkers that connect the main functional modules of Mfd, the investigation of their intrinsic flexibility and resilience to recapitulate the extensive remodeling of Mfd conformations within its functional cycle that has been previously described by cryo-EM. This aims to document to which extent the linkers that connect this multi-module protein are more than ''linkers'' and harbor, in their sequence and length, internal properties to adopt discrete states that guarantee disorder-to-coil transition to assure the functional machinery of Mfd.