DS10 - Défi des autres savoirs

Inhibiteurs hétérovalents de sialidases et trans-sialidases – HICARE

inhibtion multivalente de sialidases impliquées dans les infections bacteriennes, fongiques et parasitaires

Les inhibiteurs de glycosidases de première génération sont aspécifiques, et conduisent à des effets secondaires importants. Le projet HICARE est basé sur le développement d’une seconde génération d’inhibiteurs à forte affinité et sélectivité. La preuve de concept est évaluée sur une famille particulièrement importante d’enzymes: les sialidases parasitaires et bactériennes qui permettent aux pathogènes de se lier aux cellules en clivant leurs acides sialiques de surface.

Ciblage des sites de liaison et de catalyse des sialidases

Dans un contexte problématique de résistances croissante aux antimicrobiens, l’identification de nouvelles cibles thérapeutique est d’une importance fondamentale. A ce titre, les sialidases sont des facteurs de virulence de choix. En effet elles sont exprimés sur la surface externe des pathogènes, ce qui facilite une accessibilité potentielle aux candidats médicaments qui ne devront pas traverser les membranes et qui éviteront ainsi les mécanismes internes de résistances (modifications chimiques, pompes à efflux). De nombreuses sialidases à fort intérêt thérapeutique possèdent un site lectinique de reconnaissance de sucre CBM (pour carbohydrate-binding-module) qui est bien distinct du site catalytique (CAT) de coupure. Ce CBM joue le rôle de point d’ancrage au glycans, permettant ainsi de faciliter et d’augmenter l’efficacité et la vitesse d’hydrolyse enzymatique. De façon intéressante, les sialidases humaines qui possèdent des fonctions physiologiques importantes ne possèdent pas de CBM et ce domaine apparait donc comme clef pour augmenter la sélectivité avec les sialidases de pathogènes.

Le projet HICARE propose pour la première fois de cibler le CAT et le CBM de sialidases pathogènes à l’aide de composés homo- et hétérovalents comportant sur la même structure un ou des inhibiteurs spécifiques du CAT et CBM en nombre discret et contrôlable. Ils constituent une nouvelle famille d’inhibiteurs capables d’interagir avec une forte affinité avec leur cible par des effets synergiques de multivalence (chélate, agrégatif ou de concentration locale). Le design rationnel de ces structures est conduit avec l’appui de la modélisation moléculaire et des structures cristallisés de sialidases pour permettre d’atteindre de fortes sélectivités. Le projet HICARE combine le savoir-faire de chercheurs à forte complémentarité autour d’un triptyque chimie-biochimie-biophysique. Dans une première phase, le projet a consisté à synthétiser un panel de molécules multivalentes qui ont été évaluées pour leur faculté à inhiber l’activité enzymatique de sialidases de parasites (T. cruzi,), de bactéries pathogènes (V. cholera, S. Pneumoniae). Les sialidases sont exprimés sous formes entières ou tronqués (avec ou sans CBM et CAT) afin de valider le concept de double ciblage. Plusieurs références chimiques monovalentes (inhibiteurs de CAT seul ou CBM) ont été également synthétisées pour quantifier les effets synergiques ou de multivalence. Enfin, une étude complète du mode d’interaction est conduite en utilisant des techniques analytiques croisées de cristallographie, de modélisation, de microcalorimétrie, de résonance plasmonique de surface et de diffusion dynamique de la lumière.

Nous avons synthétisés des thiosialosides multivalents comme inhibiteurs de sialidases non-hydrolysables. Un polymère s'est avéré particulièrement prometteur en montrant des capacités d'inhibition de l'activité enzymatique jusqu'ici inégalées sur les sialidases du parasite T. cruzi et de la bactérie S. pneumoniae. Des effets synergiques importants ont été observés lors du greffage des thiosialosides sur le polymère. En effet, chaque unité thiosialoside s'est révélé meilleur inhibiteur que le thiosialoside monovalent de référence par plus de trois ordres de grandeur. Ces résultats sont particulièrement important puisqu'ils montrent pour la possibilité de cibler efficacement des sialidases bactériennes ou parasitaires en utilisant le concept de multivalence. L'expression de protéines tronquées de leur site catalytique ou lectinique a également permis de mieux connaître le fonctionnement de ces enzymes. Alors que les parties catalytiques et lectiniques reconnaissent toutes deux les acides sialiques, la partie lectinique possède une affinité bien supérieure pour ce sucre et joue un rôle prépondérant dans la liaison aux sialosides de surface. De facon intéressante, le polymère de synthèse exerce un effet de multivalence important sur la partie catalytique seule, ce qui suggère qu'il pourrait également inhiber fortement des sialidases dénuées de site lectinique.

Contrairement aux inhibiteurs optimisés de sialidases virales, les inhibiteurs monovalents de sialidases bactériennes et parasitaires ont des affinités faibles pour leurs cibles, de l'ordre de la dizaine ou centaine de micromolaire. Ces résultats sugèrent donc que la multivalence est une voie prometteuse pour obtenir des inhibiteurs submicromolaires de ces enzymes. En greffant des ligands a plus forte affinité que les thiosialosides nous espérons obtenir des ligands encore plus puissants par effets de multivalence. Ces ligands multivalents de deuxième génération sont actuellement en cours de développement dans le cadre du projet HICARE.

Les ligands de premières génération et les résultats biologiques ont été publiés dans une revue à bon facteur d’impact (Chem. Eur. J IF = 5). Suite aux très bons retours des référés, le papier a été classé « Hot paper » par l’éditeur.
Multivalent th

Des efforts importants en synthèse ont été consentis pour le développement d’inhibiteurs de glycosidases à forte affinité et sélectivité. Malheureusement la grande majorité des candidats de première génération, dirigés uniquement vers le site catalytique de ces enzymes, sont aspécifiques et conduisent donc à des effets secondaires importants. Le projet HICARE est basé sur une approche originale pour le développement d’une seconde génération d’inhibiteurs à forte affinité et sélectivité. La preuve de concept sera développée sur une famille particulièrement importante de ces enzymes : les sialidases parasitaires et bactériennes qui permettent aux pathogènes de se lier aux cellules hôtes en clivant les acides sialiques de surface. Dans un contexte problématique de résistances croissante aux antimicrobiens, l’identification de nouvelles cibles thérapeutique est d’une importance fondamentale. A ce titre, les sialidases sont des facteurs de virulence de choix. En effet elles sont exprimés sur la surface externe des pathogènes, ce qui facilite une accessibilité potentielle aux candidats médicaments qui ne devront pas traverser les membranes et qui éviteront ainsi les mécanismes internes de résistances (modifications chimiques, pompes à efflux). De nombreuses sialidases à fort intérêt thérapeutique possèdent un site lectinique de reconnaissance de sucre CBM (pour carbohydrate-binding-module) qui est bien distinct du site catalytique (CAT) de coupure. Ce CBM joue le rôle de point d’ancrage au glycans, permettant ainsi de faciliter et d’augmenter l’efficacité et la vitesse d’hydrolyse enzymatique. De façon intéressante, les sialidases humaines qui possèdent des fonctions physiologiques importantes ne possèdent pas de CBM et ce domaine apparait donc comme clef pour augmenter la sélectivité avec les sialidases de pathogènes. Le projet HICARE propose pour la première fois de cibler le CAT et le CBM de sialidases pathogènes à l’aide de composés hétérovalents comportants sur la même structure un ou des inhibiteurs spécifiques du CAT et CBM en nombre discret et contrôlable. Ils constitueront une nouvelle famille d’inhibiteurs capables d’interagir avec une forte affinité avec leur cible par des effets synergiques de multivalence (chélate, agrégatif ou de concentration locale). Le design rationnel de ces structures avec l’appui de la modélisation moléculaire et des structures cristallisés de sialidases, devrait permettre d’atteindre de fortes sélectivités. Le projet HICARE va combiner le savoir-faire de chercheurs à forte complémentarité autour d’un triptyque chimie-biochimie-biophysique. Dans une première phase, le projet va consister à synthétiser un panel de molécules multivalentes bifonctionnelles qui seront ensuite évaluées pour leur faculté à inhiber l’activité enzymatique de sialidases de parasites (T. cruzi, T. brucei), de bactéries commensales ou pathogènes (V. cholera, B. thetaiotomicron, C. Perfringens) et de champignons (A. fumigatus) Les sialidases seront exprimés sous formes entières ou tronqués (avec ou sans CBM et CAT) afin de valider le concept de double ciblage. Plusieurs références chimiques monovalentes (inhibiteurs de CAT seul ou CBM) seront également synthétisées pour quantifier les effets synergiques ou de multivalence. Enfin, une étude complète du mode d’interaction sera conduite en utilisant des techniques analytiques croisées de cristallographie, de modélisation, de microcalorimétrie, de résonance plasmonique de surface et de diffusion dynamique de la lumière. Devant l’importance des sialidases à CBM dans des pathologies comme les trypanosomases (maladies de Chagas et maladie du sommeil), les infections intestinales (choléra) et bronchiques (mucoviscidose) sévères, la validation du concept d’hétérociblage du projet HICARE devrait avoir un impact scientifique particulièrement important.

Coordinateur du projet

Monsieur Sébastien Gouin (Laboratoire Chimie et Interdisciplinarite, Synthèse, Analyse, Modélisation)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UFIP Unité de fonctionnalité et ingénierie des protéines
UGSF CNRS NORD PAS DE CALAIS ET PICARDIE
CEISAM Laboratoire Chimie et Interdisciplinarite, Synthèse, Analyse, Modélisation

Aide de l'ANR 377 278 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 36 Mois

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