Des complexes de manganèse comme anti-oxydants catalytiques : une approche intégrée de la conception en chimie de synthèse à l’activité en milieu cellulaire – CATMAN

Les superoxyde dismutases (SOD) sont des métalloenzymes qui protègent contre le stress oxydant. Des complexes de manganèse anti-oxydants catalytiques, inspirés de la SOD à manganèse (ou MnAOs), seront conçus et étudiés directement en contexte cellulaire, les cellules étant utilisées ici comme nouveaux milieux réactionnels. Les MnAOs présentent une activité anti-inflammatoire mais le lien avec leurs propriétés anti-superoxyde reste à établir. Leur utilisation en contexte biologique constitue un nouveau défi dans le champ de la chimie inorganique cellulaire, pour la caractérisation des MnAOs en contexte cellulaire et pour la compréhension des mécanismes qui sous-tendent leur activité biologique.
Ce projet suppose plusieurs étapes. Nous développerons de nouveaux anti-oxydants catalytiques aux propriétés optimisées (stabilité, inertie, adressage à la mitochondrie) (WP1A). Ces composés seront caractérisés hors de tout contexte cellulaire (thermodynamique, cinétique de dismutation du superoxyde) (WP1B). Ils seront étudiés en contexte cellulaire, en mettant un accent particulier sur trois questions : qui (quelle est la nature du MnAOs en milieu cellulaire, sa spéciation ?), combien (quelle est la quantité internalisée, dans le cytosol, dans différentes organelles ?) et où (comment est-il distribué dans la cellule ?) (WP2B). Ces questions nous amèneront à utiliser des techniques spécifiques en imagerie (fluorescence X). Nous déterminerons leur activité cellulaire anti-inflammatoire (WP2A). Le modèle cellulaire sélectionné utilise des cellules intestinales soumises à une stimulation par le lipopolysaccharide (LPS) bactérien qui induit une forte inflammation médiée par le stress oxydant. Nous mettrons en place une méthodologie destinée à caractériser les effets du LPS et des MnAOs sur le niveau d’expression des protéines et sur l’état redox intracellulaire mesuré par le taux de cystéines oxydées et réduites sur l’ensemble du protéome (WP2C-D), avec la nécessité de développements bio-informatiques (WP2E). Cette approche innovante de redoxomique quantitative permettra, via une analyse cinétique, de mettre en évidence dans ce modèle les liens stress oxydant - inflammation et activités anti-superoxyde - anti-inflammatoire des MnAOs. Elle apportera aussi un éclairage sur les voies métaboliques affectées par le LPS et restaurées vers l’état basal par les MnAOs testés. Cela nous permettra de sélectionner des marqueurs pour mettre en place un criblage métabolique robotisé haut débit (WP3B-C), requérant de la miniaturisation préalable des tests pertinents (WP3A).
Quels sont les principaux défis de ce projet ? Dans la mouvance d’études récentes de « chimie dans la cellule », il vise à contrôler et à caractériser de petits complexes métalliques dans des cellules. C’est un champ émergent en chimie inorganique biologique et cellulaire pour lequel nous devons transposer aux cellules les savoirs acquis dans le ballon du chimiste. Améliorer la pénétration cellulaire, contrôler l’adressage sub-cellulaire des MnAOs, connaître et maitriser la spéciation de ces composés sont de réels défis. Les techniques physico-chimiques de quantification et d’imagerie des cations métalliques à l’échelle sub-cellulaire sont en pleine expansion : nous utiliserons des techniques innovantes comme la microfluorescence X pour la cartographie sub-cellulaire directe du Mn. Nous chercherons une corrélation entre concentration intracellulaire et localisation d’une part et activité biologique d’autre part. Cela nous éclairera sur le mode de fonctionnement de ces MnAOs et donnera des pistes pour l’amélioration de MnOAs à activité antioxydante intracellulaire.
Ce projet de développement de MnOAs, avec leur évaluation cellulaire, leur quantification et cartographie intracellulaire, et des analyses fines en protéomique redox quantitative et criblage haut débit impliquera un consortium rassemblant les expertises pluridisciplinaires requises.