Application de la chimie des Foldamères à la création de protéines composites : Synthèse de motifs à doigts de zinc, étude du repliement et de la liaison aux acides nucléiques – FOLDART

Le choix d’utiliser des foldamères à base d’urées comme mimes de l’hélice-a reposait sur des travaux antérieurs du partenaire 1 montrant plusieurs propriétés intéressantes comme (1) la forte similarité structurale entre l’hélice des oligourées et l’hélice-a, (2) la persistance du repliement hélicoïdal en solution aqueuse et (3) la très grande résistance du squelette oligourée à l’action des protéases. La mise en relation des structures à haute résolution des hélices foldameres et des motifs en doigts de zinc ciblés devait servir à la conception de séquences composites cibles. L’accessibilité des monomères portant les chaines latérales des acides aminés de la séquence à mimer et en particulier les chaines d’histidine impliqués dans la coordination au zinc, associée à l’utilisation de méthode de synthèse supportées efficaces devait permettre d’élaborer les domaines composites à doigt de zinc proposées de manière efficace. Une fois, les séquences cibles en main, le projet visait à analyser les propriétés de liaison de ces doigts de zinc artificiels aux ions métalliques (zinc notamment), le mode de repliement et la structure tertiaire ainsi que la reconnaissance par les acides nucléiques

Le projet FoldArt a permis des avancées significatives dans la synthèse et la caractérisation de petites protéines composites. Parmi les faits notables, on mentionnera (1) la création d’un doigt de zinc composite possédant les mêmes propriétés de coordination au zinc que le doigt de zinc natif, (2) la résolution de la structure tridimentionnelle du doigt de zinc composite montrant une structure tertiaire bien définie. Parallèlement à ces travaux, l’étude de systèmes chimères peptide/foldamère modèles s’est également révélée très fructueuse avec la découverte d’une communication inter-hélice (peptidiques et oligourées) au sein d’une même séquence laissant envisager des applications possibles dans le domaine thérapeutique.

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Ces travaux ont donné lieu à la publication de plusieurs articles dans des revues internationales à comité de lecture (3 articles publiés en 2015 et 2016 et 2 articles à soumettre prochainement + 1 chapitre de livre en 2017). Ces travaux ont été présentés sous forme de poster, de communications orales à plusieurs conférences internationales. En termes de valorisation, la découverte des propriétés de repliement unique des hélices chimères a également été valorisé par la prise d’un brevet et l’installation d’une start-up (UREkA Sarl) sur le site de l’IECB.

En raison de l’implication fréquente des domaines en hélice-alpha dans les interactions médiées par les protéines, le développement de molécules peptidiques ou non, capables de reproduire ou de mimer ces segments en hélice-alpha pour cibler des biomolécules d’intérêt (acides nucléiques, protéines) fait l’objet d’efforts considérables. En particulier, la création d’oligomères de synthèse capables de former de manière prévisible des repliements bien définis (Foldamères) connait un intérêt croissant dans ce contexte. La chimie des foldamères a connu des avancées remarquables ces dernières années et plusieurs systèmes (particulièrement ceux conservant leur repliement en milieu aqueux) apparaissent aujourd’hui comme des candidats intéressants pour interférer avec des processus biologiques et pour de possibles applications thérapeutiques. Cependant, malgré quelques succès récents, l’élaboration d’architectures repliées plus sophistiquées (structures tertiaires et quartenaires) s’approchant des protéines par leur taille, leur topologie et leur fonction reste un défi dans le domaine des foldamères. Le projet FoldArt vise à explorer la synthèse chimique, le repliement, et la fonction de protéines composites créées en substituant les régions en hélice-alpha de la protéine parente par des segments hélicoidaux non peptidiques. Nous avons sélectionné comme modèle pour cette étude les protéines à doigts de zinc Cys2His2, une famille de métalloprotéines interagissant avec les acides nucléiques, et présentant un (ou plusieurs) motif(s)de structuration tertiaire caractéristique. Une difficulté associée à l’utilisation de foldamères comme mimes de structures secondaires de protéines est la copie fidèle de l’arrangement des chaines latérales présent à la surface de la protéine. En fonction de l’arrangement à la surface de l’hélice biomimétique, le motif en doigt de zinc de type foldamère peut soit perdre son repliement, ou bien alternativement le maintenir ainsi que sa fonction. Comparés à d’autres foldamères formant des hélices biomimétiques décrit dans la littérature, les oligomères aliphatiques à base d’urées N,N’-disubstituées développés dans le groupe Guichard (partenaire #1) possèdent des caractéristiques intéressantes : l’hélice canonique (2.5 résidus/tour) des oligourées et l’hélice-alpha se superposent plutôt bien ; (2) le repliement en hélice est maintenu en milieu aqueux mais avec néanmoins une déstabilisation par rapport au MeOH ou MeCN ; (3) les oligourées sont très résistants à l’action des protéases. Le projet FoldArt bénéficie également de l’accessibilité par la synthèse de nombreux monomères fonctionnalisés avec les chaines latérales des acides aminés naturels. Le monomère portant la chaine latérale de l’histidine dont la synthèse a récemment été développée (Nelli et al. Tetrahedron, 2011, DOI:10.1016/j.tet.2011.11.066) est par ailleurs essentiel pour élaborer les architectures composites à doigt de zinc proposées. Ensemble avec le partenaire #2 (Le groupe Mergny amène sa grande expertise des structures d’acides nucléiques non usuelles, de leur reconnaissance par des ligands, et de leur caractérisation structurale), des efforts importants seront menés pour analyser les propriétés de liaison aux ions métalliques (zinc par exemple), le mode de repliement et la reconnaissance par les acides nucléiques des doigts de zinc chimères peptide/oligourée préparés. Nous pensons que ce projet apportera des informations utiles pour la conception de nouvelles protéines synthétiques chimères, pour le développement de leurs application en vue de moduler / ou reproduire les fonctions de protéines, et pour des exploitations biomédicales.