Synthèse de structures protéomimétiques à base de foldamères

Synthesis of proteomimetic structures based on foldamers

• Auteur / Autrice : Fabyan Soulard
• Direction : Gilles Guichard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Organique
• Date : Inscription en doctorat le 26/09/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie & de Biologie des Membranes & des Nano-objets
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Chimie peptidomimétique

Mots clés

Mots clés libres

Chimie peptidomimétique

Foldamères

Repliement

Auto-assemblage

Reconnaissance moléculaire

Peptidomimetic chemistry

Foldamers

Folding

Self-assembly

Molecular recognition

Résumé

Le feuillet β -deuxième élément de structure secondaire dominant dans les protéines- et le motif « leucine zipper » sont des motifs de reconnaissance clé dans les interactions protéine-protéine et protéine-acides nucléiques. Le processus d'agrégation entre feuillets β suscite un intérêt grandissant car impliqué dans de nombreuses pathologies telles que la maladie d'Alzheimer, les maladies du prion ou encore les pathologies liées à l'amyloïde. Le motif leucine zipper est quant à lui un domaine clé dans la dimérisation de facteurs de transcription, associée à la régulation cellulaire et donc au cancer. La construction de systèmes synthétiques pour simplifier et étudier des systèmes biologiques compliqués est une approche originale visant (1) à mieux comprendre les processus chimiques et les interactions gouvernant la structure et la fonction d'une protéine, (2) à contrôler les mécanismes de reconnaissance, offrant ainsi de nouvelles stratégies thérapeutiques. L'approche peptidomimétique utilise les foldamères -des oligomères synthétiques capables de se replier en structures prévisibles, stables et bien définies- comme outils pour comprendre comment programmer des molécules capables de s'organiser et d'adopter des architectures complexes pour ensuite les doter de fonctions pouvant rivaliser avec celles des protéines (catalyse, reconnaissance de surfaces protéiques). Les foldamères puisent leur inspiration architecturale dans les biomolécules, néanmoins leur diversité structurale n'équivaut pas encore celle des biomolécules. Les squelettes hélicoïdaux sont très représentés, alors que les architectures en feuillet demeurent rares. La maîtrise de ces outils moléculaires permet maintenant d'envisager la conception de novo de structures artificielles plus complexes. L'objectif de cette thèse est de concevoir de nouvelles molécules -de type feuillets multi-brins et hairpin hélices- programmées pour se replier de façon rationnelle par formation de liaisons hydrogène intramoléculaires, afin d'enrichir la diversité des structures accessibles aux foldamères et, à plus long terme, de permettre le développement de molécules protéomimétiques mimant les structures tertiaires/quaternaires des protéines pour ensuite leur conférer de nouvelles fonctions. 1) Feuillets β multi-brins Les feuillets β multi-brins sont les composants clés des domaines protéiques β i.e. le sandwich et le tonneau β. Le motif structural le plus simple -le motif en épingle à cheveux ou β-hairpin- a fait l'objet de nombreuses études, permettant l'émergence de principes simples pour pré-organiser deux brins étendus reliés par un coude, en jouant notamment sur la nature peptidique ou peptidomimétique des brins, et sur la stabilisation du feuillet via la formation de liaisons hydrogène, de ponts disulfure ou par macrocyclisation. Quelques architectures remarquables ont récemment été décrites dans la littérature, notamment des feuillets étendus dont le repliement est contrôlé par un coude rigide et empilement aromatique, des pores formés par auto-assemblage et inter-digitation de peptides, et des tonneaux synthétiques par auto-assemblage de macrocycles. La conception rationnelle de tels objets reste à l'heure actuelle encore un défi. L'objectif ici est de concevoir une nouvelle classe de molécules synthétiques programmées pour se replier de façon rationnelle en feuillet multi-brins par formation de liaisons hydrogène intramoléculaires. Notre approche repose sur l'enchaînement alterné de courts brins diamine et diacide liés par un motif « coude » pré-organisé par la formation d'une liaison hydrogène. Une première cible possédant 3 brins et 2 coudes a été conçue et synthétisée au laboratoire, permettant de valider notre design et notre méthodologie de synthèse. Les études préliminaires en solution par RMN et dans le solide par DRX confirme son repliement en feuillet à 3 brins par formation de liaisons hydrogène intramoléculaires entre brins adjacents. Un aspect intéressant est la présence d'une courbure spontanée apparaissant entre les trois brins du feuillet, ouvrant ainsi la voie à d'autres architectures plus complexes et audacieuses tels que des tonneaux ou des plans. Différents paramètres pourront être modulés, tels que le nombre de brins composant le feuillet ou encore la stéréochimie du seul résidu chiral de la séquence, la proline. Un autre élément primordial pour cette étude est la capacité de cette molécule à former des cristaux, permettant l'élucidation de sa structure cristallographique à l'échelle atomique et d'obtenir des informations cruciales sur les interactions permettant de stabiliser la conformation en feuillet. La solubilité de ces objets en solvants organiques et l'absence de phénomène d'agrégation permettent également des analyses structurales en solution par des techniques classiques de RMN. Le projet est maintenant d'étendre le nombre de brins composant ces structures pour accéder à des systèmes finis complexes de type multi-brins capables de couvrir de larges surfaces ou encore de se replier en structures de type tonneau β. Ces systèmes « nus », dépourvus de chaînes latérales dans le design initial (Fig.2), seront ensuite fonctionnalisés pour moduler leur solubilité, pour leur conférer des propriétés de reconnaissance de surface ou de substrat, ou étudier leurs propriétés d'auto-assemblage. 2) Hairpin d'hélices Le hairpin d'hélices ou épingle à cheveux hélicoïdale (noté HTH pour « helix-turn-helix ») est un motif de complexité intermédiaire et un point de départ intéressant pour élaborer des structures tertiaires repliées sophistiquées, capables de mimer le motif leucine zipper par exemple. Dans les protéines, le motif HTH est largement répandu et est formé de deux hélices antiparallèles (α- et/ou 310) reliées par coude ou une boucle (généralement 2 à 9 résidus d'acides aminés). Les principes qui régissent la formation en épingle à cheveux hélicoïdale dans les protéines ont été largement étudiés et appliqués avec succès à la conception de novo de peptides HTH à partir d'hélices α synthétiques. Ces systèmes ont été largement utilisés comme échafaudages moléculaires pour des applications allant de l'inhibition des interactions protéine-protéine, au mime d'enzyme ou encore à la construction de nanomatériaux à base de peptides. Seules quelques structures tertiaires HTH à base de foldamères ont été décrites dans la littérature. Il s'agit notamment de dimères d'hélices parallèles ou antiparallèles, β- ou α,β-peptidiques, connectées via divers espaceurs (D-Pro-Gly, cystéine, βGly4 ou peptides plus longs) et dont les structures ont été caractérisées en solution ou par DRX. Des oligoamides aromatiques hélicoïdaux et des connecteurs rigides ont également été utilisés. La conception rationnelle de tels objets reste à l'heure actuelle encore un défi. Récemment, des systèmes synthétiques conçus pour adopter une structure en hairpin d'hélices ont été préparés au laboratoire en pontant de manière covalente deux hélices de foldamères d'oligourée aliphatiques avec des espaceurs aromatiques rigides, ou aliphatiques plus flexibles. L'orientation relative des hélices dans ces dimères a été étudiée à haute résolution par diffraction des rayons X dans le solide. Cette étude nous a permis de montrer que ces dimères adoptent des structures en hairpin d'hélices bien définies. Notamment, l'espaceur 4,4'-méthylène diphényle diisocyanate est bien adapté pour maintenir les deux segments hélicoïdaux dans une orientation parallèle et à une distance favorisant des contacts inter-hélices, indépendamment de la nature des chaines latérales et de la longueur des hélices. De plus, en fonction du choix de l'espaceur, il est possible de moduler l'orientation relative des deux hélices dans le hairpin d'hélices, ce qui peut être particulièrement utile pour optimiser les interactions intramoléculaires et orienter des chaînes latérales spécifiques vers le solvant. Le projet est maintenant de développer la préparation de tels foldamères d'oligourée en épingle à cheveux hélicoïdale en utilisant la synthèse en phase solide et de concevoir des séquences hydrosolubles pour étudier notamment leurs propriétés d'auto-assemblage de type bundle d'hélices, ou pour mimer des domaines de liaison à l'ADN de type leucine zipper. Ces deux projets seront réalisés en parallèle, en suivant une méthodologie commune basée sur trois tâches principales linéaires : 1) la conception rationnelle des systèmes, 2) la synthèse des molécules cibles et 3) la caractérisation des édifices moléculaires tridimensionnels obtenus. Chaque étape fera l'objet d'une analyse constructive permettant de faire évoluer le design.

The β-sheet -the second most dominant secondary structure element in proteins - and the leucine zipper motif are key recognition motifs in protein-protein and protein-nucleic acid interactions. The process of β-sheet aggregation is of growing interest, as it is implicated in numerous pathologies such as Alzheimer's disease, prion diseases and amyloid-related diseases. The leucine zipper motif, meanwhile, is a key domain in the dimerization of transcription factors, associated with cell regulation and hence cancer. The construction of synthetic systems to simplify and study complicated biological systems is an original approach aimed at (1) better understanding the chemical processes and interactions governing protein structure and function, and (2) controlling recognition mechanisms, thus offering new therapeutic strategies. The peptidomimetic approach uses foldamers -synthetic oligomers capable of folding into predictable, stable and well-defined structures- as tools to understand how to program molecules capable of organizing themselves and adopting complex architectures, and then endowing them with functions that can rival those of proteins (catalysis, recognition of protein surfaces). Although foldamers draw their architectural inspiration from biomolecules, their structural diversity does not yet match that of biomolecules. Helical skeletons are well represented, while sheet-like architectures remain rare. Mastery of these molecular tools now makes it possible to design de novo more complex artificial structures. The aim of this thesis is to design new molecules -of the multi-strand sheet and hairpin helix type- programmed to fold rationally by the formation of intramolecular hydrogen bonds, in order to enrich the diversity of structures accessible to foldamers and, in the longer term, to enable the development of proteomimetic molecules mimicking the tertiary/quaternary structures of proteins to then confer new functions on them. 1) Multi-stranded β-sheets Multi-stranded β-sheets are the key components of β-protein domains i.e. the β-sandwich and β-barrel. The simplest structural motif -the hairpin or β-hairpin motif- has been the subject of numerous studies, enabling the emergence of simple principles for pre-organizing two extended strands linked by a turn, playing notably on the peptidic or peptidomimetic nature of the strands, and on the stabilization of the sheet via the formation of hydrogen bonds, disulfide bridges or by macrocyclization. Some remarkable architectures have recently been described in the literature, including extended sheets whose folding is controlled by a rigid turn and aromatic stacking, pores formed by self-assembly and inter-digitation of peptides, and synthetic barrels by self-assembly of macrocycles. Rational design of such objects remains a challenge. The aim here is to design a new class of synthetic molecules programmed to fold rationally into multi-stranded sheets through the formation of intramolecular hydrogen bonds. Our approach is based on an alternating sequence of short diamine and diacid strands linked by a ''turn'' motif pre-organized by the formation of a hydrogen bond. A first target with 3 strands and 2 turns was designed and synthesized in the laboratory, enabling us to validate our design and synthesis methodology. Preliminary studies in solution by NMR and in solid state by XRD confirm its folding into a 3-strand sheet by the formation of intramolecular hydrogen bonds between adjacent strands. An interesting aspect is the spontaneous curvature appearing between the three strands of the sheet, opening the way to other more complex and daring architectures such as barrels or planes. Various parameters can be modulated, such as the number of strands making up the sheet or the stereochemistry of the sequence's only chiral residue, proline. The ability of this molecule to form crystals is also crucial to this study, enabling us to elucidate its crystallographic structure at the atomic scale, and to obtain crucial information on the interactions that stabilize the sheet conformation. The solubility of these objects in organic solvents and the absence of aggregation phenomena also enable structural analysis in solution using conventional NMR techniques. The plan is now to extend the number of strands making up these structures to reach complex finite multi-strand systems capable of covering large surfaces or folding into β-barrel structures. These ''naked'' systems, devoid of side chains in the initial design, will then be functionalized to modulate their solubility, to confer surface or substrate recognition, or to study their self-assembling properties. 2) Helix hairpin The helix-turn-helix (HTH) hairpin is a motif of intermediate complexity and an interesting starting point for developing sophisticaly folded tertiary structures, capable of mimicking the leucine zipper motif, for example. In proteins, the HTH motif is widespread and is formed by two antiparallel helices (α- and/or 310) linked by a turn or a loop (generally 2 to 9 amino acid residues). The principles governing helical hairpin formation in proteins have been widely studied and successfully applied to the de novo design of HTH peptides from synthetic α-helices. These systems have been widely used as molecular scaffolds for applications ranging from inhibition of protein-protein interactions, to enzyme mimicry, to the construction of peptide-based nanomaterials. Only a few tertiary HTH structures based on foldamers have been described in the literature. These include dimers of parallel or antiparallel, β- or α,β-peptide helices, connected via various spacers (D-Pro-Gly, cysteine, βGly4 or longer peptides) and whose structures have been characterized in solution or by XRD. Helical aromatic oligoamides and rigid connectors have also been used. Rational design of such objects remains a challenge. Recently, synthetic systems designed to adopt a hairpin structure of helices have been prepared in the laboratory by covalently bridging two helices of aliphatic oligourea foldamers with rigid aromatic, or more flexible aliphatic, spacers. The relative orientation of the helices in these dimers was studied at high resolution by solid-state X-ray diffraction. This study enabled us to show that these dimers adopt well-defined helix hairpin structures. In particular, the 4,4'-methylene diphenyl diisocyanate spacer is well suited to maintaining the two helical segments in a parallel orientation and at a distance favoring inter-helical contacts, independently of the nature of the side chains and the length of the helices. Moreover, depending on the choice of spacer, it is possible to modulate the relative orientation of the two helices in the helix hairpin, which can be particularly useful for optimizing intramolecular interactions and orienting specific side chains towards the solvent. The plan is now to develop the preparation of such helical hairpin oligourea foldamers using solid-phase synthesis, and to design water-soluble sequences to study in particular their helix bundle self-assembly properties, or to mimic leucine zipper-type DNA-binding domains. These two projects will be carried out in parallel, following a common methodology based on three main linear tasks: 1) rational system design, 2) synthesis of target molecules and 3) characterization of the resulting three-dimensional molecular edifices. Each step will be the subject of a constructive analysis, enabling the design to evolve.