Synthèse et analyse conformationnelle de foldamères peptidomimétiques contenant des unités diaza-peptides : application aux interactions protéine-protéine

Synthesis and conformational analysis of peptidomimetic foldamers containing diaza-peptide units : application in protein-protein interactions

• Auteur / Autrice : Chenghui Shi
• Direction : Sandrine Ongeri, Nicolo Tonali
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie thérapeutique
• Date : Soutenance le 02/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomolécules : conception, isolement, synthèse (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté de pharmacie (Orsay, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Santé et médicament (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : David Aitken
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Douat, Muriel Amblard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Douat, Philippe Karoyan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Peptides bêta-amyloïdes

Foldamères

Oligomères peptidomimétiques

Peptidomimétiques

Transthyrétine

Protéines -- Agrégation

Mots clés libres

Agrégation amyloide

Amyloide β

Transthyrétine

Azapeptide

Peptidpmimétiques

Foldamères

Amyloid aggregation

Β-Amyloid

Transthyretin

Azapeptide

Peptidomimetics

Foldamers

Résumé

Les amyloses constituent un groupe de maladies impliquant le dépôt de protéines amyloïdes, des interactions protéine-protéine aberrantes, dans les tissus et les organes. La maladie d'Alzheimer (MA) est l'amylose la plus fréquente avec une mortalité élevée. Le dépôt de plaques β-amyloïdes (Aβ) et d'enchevêtrements neurofibrillaires de Tau (NFT) dans le cerveau sont deux caractéristiques pathologiques des patients atteints de MA. Concevoir de nouveaux peptides ou peptidomimétiques basés sur les protéines capables d'interagir de manière croisée avec Aβ est une stratégie prometteuse pour découvrir de nouvelles molécules inhibant l'agrégation de Aβ. La transthyrétine (TTR) a été décrite comme une protéine chaperon de Aβ qui peut inhiber l'agrégation de Aβ in vitro. Un site de liaison possible de TTR à Aß est son hélice EF mais un peptide dérivé de l'hélice EF n'a pas montré d'interaction évidente avec Aß. La perte de structure secondaire du peptide excisé a été proposée pour expliquer la perte de l'interaction. Ainsi, la conception et la synthèse de foldamères peptidiques, qui peuvent imiter la structure hélicoïdale, basée sur l'hélice EF, pourraient être un moyen de trouver de nouveaux inhibiteurs d'agrégation Aβ.Notre laboratoire a rapporté que les unités diaza-peptides dans les tripeptides (diaza-tripeptides) sont capables d'induire une structure en coude β unique ou une structure de coudes β répétés des tripeptides dans le méthanol. Cette propension conformationnelle intrigante nous a amenés à nous demander si l'introduction d'unités diaza-peptidiques dans la séquence de l'hélice EF peut induire une structure hélicoïdale des peptides, augmentant ainsi l'interaction avec Aβ. Nous avons d'abord étudié le comportement conformationnel des diaza-tripeptides en solution aqueuse. Trois diaza-tripeptides solubles dans l'eau avec différentes chaînes latérales au niveau du résidu central ont été conçus et synthétisés pour étudier les effets des chaînes latérales sur leur conformation. L'étude conformationnelle de ces peptides dans l'eau a été réalisée par RMN. Ensuite, plusieurs aza-nonapeptides possédant des unités diaza-peptides ont été conçus et synthétisés sur la base de l'hélice EF. Des études conformationnelles de ces peptides par CD, RMN, FTIR et simulation par dynamique moléculaire ont montré que l'introduction de différents nombres d'unités diaza-peptides à différentes positions de la séquence a de grands impacts sur la conformation des peptides. L'activité d'inhibition de l'agrégation Aß a été testée par spectroscopie de fluorescence à la thioflavine-T (ThT) et par CD. Le peptide le plus actif a également été testé pour sa stabilité protéolytique, sa perméabilité de la BHE et sa toxicité cellulaire, ce qui prouve que les foldamères peptidiques contenant des unités diaza-peptide sont des foldamères potentiellement utilisables comme médicaments. De plus, nous avons utilisé une réaction secondaire que nous avons trouvée lors de la synthèse des diaza-tripeptides pour concevoir et synthétiser un monomère aza-DKP (aza-dicétopipérazine), qui s'inspire des travaux du groupe de Piarulli sur les foldamères à base de DKP. En utilisant ce monomère aza-DKP, quatre oligomères aza-DKP ont été conçus et synthétisés. Les études conformationnelles sont en cours.En résumé, le travail présenté dans la thèse confirme la stratégie selon laquelle il est possible de concevoir des inhibiteurs peptidiques de l'agrégation Aβ capables d'imiter la structure hélicoïdale basée sur l'hélice EF du TTR. De plus, il fournit une preuve de concept que l'utilisation d'unités diaza-peptide dans la conception et la synthèse de foldamères peptidiques est une stratégie prometteuse pour cibler les interactions protéine-protéine impliquant des structures hélicoïdales.

Amyloidosis is a group of diseases involving amyloid protein deposition, an aberrant protein-protein interaction (PPI), in tissues and organs. Alzheimer's disease (AD) is the most common amyloidosis with high mortality. The deposition of β-amyloid (Aβ) plaques and Tau neurofibrillary tangles (NFTs) in the brain are two pathological hallmarks for AD patients. Designing new peptides or peptidomimetics based on the proteins capable of cross-interacting with Aβ is a promising strategy for discovering new molecules inhibiting Aβ aggregation. Transthyretin (TTR) has been reported as a chaperone protein of Aβ which can inhibit Aβ aggregation in vivo and in vitro. One possibe binding site of TTR to Aβ is its EF-helix but a peptide derived from the EF-helix did not show obvious interaction with Aβ. The loss of secondary structure of the excised peptide was proposed for explaining the loss of the interaction. Thus, the design and synthesis of peptidic foldamers, which can mimc helical structure, based on the EF-helix might be a feasible way to find novel Aβ aggregation inhibitors.Our laboratory has reported that diaza-peptide units in tripeptides (diaza-tripeptides) are able to induce single β turn structure or repeated β turn structure of the tripeptides in methanol. This intriguing conformationl propensity led us to wonder if the introduction of diaza-peptide units in the sequence of the EF-helix can induce a helical structure of the peptides, thereby increasing the interaction with Aβ. We first investigated the conformational behavior of diaza-tripeptides in aqueous solution. Three water-soluble diaza-tripeptides with different side chains in the central residue were designed and synthesized to study the effects of the side chains on their conformation. The conformational study of these peptides in water was performed by NMR. Then, several aza-nonapeptides possessing diaza-peptide units were designed and synthesized based on the EF-helix. Conformational studies of these peptides by CD, NMR, FTIR and MD simulation showed that introducing different numbers of diaza-peptide units at the different positions of the sequence has great impacts on the conformation of the peptides. The activity to inhibit Aβ aggregation was tested by thioflavin-T (ThT) fluorescence spectroscopy and CD assays . The most active peptide was also tested for proteolytic stability, BBB permeability and toxicity, which give evidences that peptidic foldamers containing diaza-peptide units are druggable foldamers. In addition, we used a side reaction we found during the synthesis of the diaza-tripeptides to design and synthesize a aza-DKP (aza-diketopiperazine) monomer, which is inspired by the work from Piarulli' group on DKP-based foldamers. Using this aza-DKP monomer, four aza-DKP oligomers were designed and synthesized. The conformational studies are in progress.In summary, the work presented in the thesis confirms the strategy that designing peptidic Aβ aggregation inhibitors capable of mimicking helical structure based on the EF-helix of TTR is feasible. Morover, it provides a proof of concept that the use of diaza-peptide units in the design and synthesis of peptide foldamers is a promising strategy for targeting PPIs involving helical structures.