Conception et synthèse chimique d'ARN mono- et multi coiffés

Design and chemical synthesis of mono- and multi capped RNA

• Auteur / Autrice : Thomas Soulie
• Direction : Michaël Smietana
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie Biomoléculaire
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• 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 : B3. ChemBioNAC

Mots clés

Mots clés libres

Arn

Coiffe

Oligonucléotides

Rna

Cap

Oligonucleotides

Résumé

Ces dernières années, l'ARN a suscité un intérêt croissant dans la recherche thérapeutique, notamment pour le développement de vaccins, la reprogrammation cellulaire et la production de protéines. Bien que les vaccins à ARN messager (ARNm) aient démontré leur efficacité, leur sécurité et leur polyvalence, leur stabilité reste un défi comparativement aux alternatives basées sur l'ADN. Afin d'améliorer cette stabilité et de favoriser l'engagement des ribosomes, l'ARN est chimiquement modifié via l'épitranscriptomique, un processus qui régule l'expression génique post-transcriptionnelle et les fonctions biologiques clés. Ces modifications se divisent en deux catégories : les modifications de coiffe et les modifications internes, la coiffe de l'ARNm jouant un rôle crucial dans l'initiation de la traduction. Par exemple, la coiffe 5′ N7-méthylguanosine (m7G) interagit avec les facteurs d'initiation de la traduction, influençant la stabilité et la traduction de l'ARNm. De plus, des modifications telles que la 2′-O-méthylation (2′OMe) et la N6-méthyladénosine (m6A) au niveau de la région 5′ non traduite (5′ UTR) modulent davantage la traduction et l'activité de décapping. La diversité des modifications de coiffe selon les types cellulaires offre une opportunité d'expression génique ciblée, améliorant potentiellement les thérapies à base d'ARN. Malgré leur potentiel thérapeutique, l'application des coiffes modifiées est limitée par des défis liés aux méthodes de synthèse. Les approches actuelles de préparation des ARNm coiffés in vitro reposent sur l'incorporation co-transcriptionnelle d'analogues de coiffe ou sur une coiffage enzymatique post-transcriptionnel, mais ces méthodes restent limitées quant aux types de modifications intégrables. Des avancées récentes dans les analogues de coiffe tri- et tétranucléotidiques ont permis l'incorporation directe de coiffes modifiées, mais ces techniques restent encore restreintes. Pour surmonter ces limitations, nous avons développé une stratégie permettant d'incorporer des modifications chimiques naturelles et non naturelles à l'extrémité 5′ de l'ARNm. Cette approche modulaire, combinant chimie et enzymologie, permet un criblage systématique des modifications de coiffe afin d'évaluer leur impact sur des propriétés telles que la stabilité de l'ARNm et sa capacité de traduction. Ce projet vise à réunir l'expertise des équipes de l'IBMM et de l'IRCM pour développer des solutions adaptées à l'expression génique dans des sous-types cellulaires spécifiques avec une efficacité optimale, fournissant ainsi des outils innovants pour les stratégies thérapeutiques à base d'ARN. Les objectifs incluent la synthèse d'oligonucléotides coiffés naturels et multicappés, le profilage détaillé des modifications de coiffe dans les cellules immunitaires, ainsi que le développement d'une méthode de criblage pour identifier les oligonucléotides coiffés les plus performants pour des sous-types cellulaires spécifiques.

In recent years, RNA has attracted growing interest in therapeutic research, notably for vaccine development, cell reprogramming and protein production. Although mRNA vaccines have proved effective, safe and versatile, their stability remains a challenge compared to DNA-based alternatives. To improve this stability and enhance ribosome engagement, RNA is chemically modified via epitranscriptomics, a process that regulates post-transcriptional gene expression and key biological functions. These modifications fall into two categories: cap modifications and internal modifications, with the mRNA cap playing a crucial role in translation initiation. For example, the 5′ N7-methylguanosine (m7G) cap interacts with translation initiation factors, influencing mRNA stability and translation. In addition, modifications such as 2′-O-methylation (2′OMe) and N6-methyladenosine (m6A) at the 5′ untranslated region (5′ UTR) further modulate translation and decapping activity. The diversity of cap modifications across cell types offers an opportunity for targeted gene expression, potentially improving RNA-based therapies. Despite their therapeutic potential, the application of modified caps is limited by challenges related to synthetic methods. Current in vitro approaches to preparing capped mRNAs rely on co-transcriptional incorporation of capping analogues or post-transcriptional enzymatic capping, but these methods remain limited in the types of modifications that can be integrated. Recent advances in tri- and tetranucleotide capping analogues have enabled direct incorporation of modified caps, but these techniques are still limited. To overcome these limitations, we have developed a strategy for incorporating both natural and unnatural chemical modifications into the 5′ end of mRNA. This modular approach, combining chemistry and enzymology, enables systematic screening of cap modifications to assess their impact on properties such as mRNA stability and translational capacity. This project aims to bring together the expertise of the IBMM and IRCM teams to develop solutions tailored to gene expression in specific cell subtypes with optimal efficiency, thus providing innovative tools for RNA-based therapeutic strategies. Objectives include the synthesis of natural and multi-capped oligonucleotides, the detailed profiling of capping modifications in immune cells and the development of a screening method to identify the best performing capped oligonucleotides for specific cell subtypes.