Ciblage des méthyltransférases d’ADN et dissociation de leurs complexes protéiques dans les cancers

Targeting DNA methyltransferases and dissociation of their protein complexes in cancers

• Auteur / Autrice : Jean-Maxime Besson
• Direction : Marie Lopez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie Biomoléculaire
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 12/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IBMM - Institut des Biomolécules Max Mousseron
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : A1. Glycochimie et Reconnaissance Moléculaire
• Jury : Président / Présidente : Mélanie ETHèVE-QUELQUEJEU
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie Lopez, Elise Dumont, Gilles Guichard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elise Dumont, Gilles Guichard

Mots clés

Mots clés libres

Méthylation de l'ADN

Dnmt

Cancers hématologiques

Inhibiteurs multifonctionnels

Interactions protéine-protéine

DNA methylation

Dnmt

Haematological cancers

Multifunctional inhibitors

Protein-protein interactions

Résumé

La recherche de nouveaux anticancéreux est l’un des enjeux majeurs du XXIème siècle dû à un manque d’efficacité, de sélectivité des thérapies actuelles et de l’apparition de nombreuses résistances aux traitements. Dans ce cadre, de nouvelles thérapies sont en voie de développement consistant à cibler des caractéristiques spécifiques des cellules cancéreuses. Parmi elles, les dérégulations épigénétiques et notamment la dérégulation de la méthylation de l’ADN, sont particulièrement étudiées. En effet, les cellules cancéreuses présentent une hypométhylation globale de l’ADN et une hyperméthylation de certains sites spécifiques, impliquée dans la formation et prolifération tumorales. En effet, une hypométhylation globale de l’ADN est intimement lié à de l’instabilité chromosomique ainsi qu’à l’expression d’oncogènes alors que l’hyperméthylation localisée sur les zones promotrices des gènes suppresseurs de tumeurs mènent à leur répression. Lors de la méthylation de l’ADN, divers acteurs rentrent en jeux : (i) les méthyltransférases d’ADN (DNMT), (ii) le donneur de méthyle (S-adénosyl-L-méthionine, SAM) et (iii) le substrat cytidine de l’ADN. Par ailleurs, il est établi que les DNMT agissent au sein de complexes protéiques et que certains de leurs partenaires (UHRF1, DNMT3L) sont garants de leur activité. À ce jour, deux inhibiteurs de DNMT (DNMTi) nucléosidiques (5-azacytidine, Vidaza ® et 5-azadésoxycytidine, DacogenTM) ont reçu une autorisation de mise sur le marché pour le traitement des syndromes myélodysplasiques et des leucémies aiguës. Cependant, malgré leur activité antitumorale intéressante, ces analogues de nucléoside présentent une instabilité chimique et une forte cytotoxicité impliquant une utilisation à faible dose, due à leur nécessité d’incorporation dans l’ADN. C’est la raison pour laquelle ils sont, à ce jour, utilisés quasi-exclusivement en combinaison. De ce fait, de nouvelles classes d’inhibiteurs non nucléosidiques font l’objet de nombreuses recherches. Notamment, GlaxoSmithKline (GSK) a développé une famille d’inhibiteurs sélectifs à la DNMT1 présentant des propriétés d’inhibition enzymatique proches du nano molaire. Au sein de l’équipe, le groupe du Dr Marie Lopez a précédemment développé une famille de flavanones, les 3-bromo-3-nitroflavanones, possédant des propriétés d’inhibition enzymatique intéressantes mais une activité cellulaire, insuffisante et une faible stabilité, ne permettant pas d’envisager des études cliniques. L’équipe du Dr Paola B. Arimondo a développé une famille d’analogues de bisubstrat qui ont montré des propriétés d’inhibition enzymatique intéressantes mais une faible solubilité en milieu biologique qui freine la mise en application de ces molécules. Dans ce cadre, de nouvelles stratégies de ciblage sont en voie de développement et notamment la dissociation des complexes protéiques des DNMT. En effet, les travaux de l’équipe du Dr Pierre-François Cartron ont montré que la dissociation spécifique de certains complexes protéiques des DNMT menait à un effet antitumoral intéressant ainsi qu’à une resensibilisation aux traitements actuels. Ainsi, ce projet propose d’agir simultanément sur deux mécanismes impliqués dans les processus de méthylation de l’ADN en développant des inhibiteurs bifonctionnels plus spécifiques comportant d’une part un motif DNMTi, permettant l’inhibition directe des DNMT et d’autre part un motif peptidique, identifié via l’utilisation d’une intelligence artificielle Alphafold Multimer, conduisant à la dissociation des complexes protéiques cruciaux pour l’activité de ces enzymes. Ces inhibiteurs bifonctionnels, appelés « Peptide-Drug Conjugates », permettront d’augmenter considérablement la sélectivité des inhibiteurs de DNMT utilisés grâce aux ciblages de complexes protéiques spécifiques.

The search for new anticancer agents is one of the major challenges of the 21st century, driven by the lack of efficacy and selectivity of current therapies, as well as the emergence of resistance to treatments. In this context, novel therapies are under development to target specific characteristics of cancer cells. Among these, epigenetic deregulations, particularly DNA methylation abnormalities, have garnered significant attention. Cancer cells are characterized by global DNA hypomethylation and hypermethylation at specific sites, involved in tumor formation and proliferation. Global DNA hypomethylation is closely related to chromosomal instability and oncogene expression, while hypermethylation at tumor suppressor gene promoter regions leads to their silencing. DNA methylation involves several key players: (i) DNA methyltransferases (DNMTs), (ii) the methyl donor (S-adenosyl-L-methionine, SAM), and (iii) the DNA cytidine substrate. Furthermore, DNMTs operate within protein complexes, and some of their partners (UHRF1, DNMT3L) are essential for their activity. To date, two nucleoside-based DNMT inhibitors (DNMTi) – 5-azacytidine (Vidaza®) and 5-aza-2'-deoxycytidine (Dacogen™) – received FDA-approval for the treatment of myelodysplastic syndromes and acute leukemias. However, despite their promising antitumor activity, these nucleoside analogs suffer from chemical instability and high cytotoxicité limited their use at low concentration, due to their requirement for DNA incorporation. As a result, these agents are almost exclusively used in combination therapies. That is why, there is important research for identifying new classes of non-nucleoside inhibitors. Notably, GlaxoSmithKline (GSK) developed a family of selective DNMT1 inhibitors with nanomolar enzyme inhibition properties. Within our research team, Dr Marie Lopez’s group previously developed a family of flavanones, specifically 3-bromo-3-nitroflavanones, which showed promising enzyme inhibition but lacked the in-cell potency and stability needed for clinical development. Additionally, Dr Paola B. Arimondo's team designed a series of bisubstrate analogs with interesting enzyme inhibition activity but facing poor solubility in biological media, which limits their clinical potential. In this context, new targeting strategies are emerging, particularly those aiming at disrupting DNMT protein complexes. Research by Dr Pierre-François Cartron’s team demonstrated that selectively dissociating specific DNMT protein complexes leads to notable antitumor effects and re-sensitization to current treatments. This project proposes a novel approach by simultaneously targeting two mechanisms involved in DNA methylation processes. The development of more specific bifunctional inhibitors aims at combining a DNMTi moiety, which directly inhibits DNMTs, with a peptide motif identified through AlphaFold Multimer artificial intelligence, designed to disrupt the protein complexes crucial for DNMT activity. These bifunctional inhibitors, also called ''Peptide-Drug Conjugates'', are expected to significantly enhance the selectivity of DNMT inhibitors by precisely targeting specific protein complexes.