Target-guided synthesis of metalloenzyme ligands with therapeutical potential

Abstract

Target-guided synthesis of protein ligands is an innovative strategy to discover bioactive compounds. In particular, the Kinetic Target-Guided Synthesis (KTGS) and the Dynamic Combinatorial Chemistry (DCC) have allowed, in recent years, the discovery of novel ligands for poorly explored therapeutic targets, which has enabled drug-discovery projects. This thesis project aims at using KTGS to discover and optimize ligands for two classes of metalloenzymes, namely endoplasmic reticulum aminopeptidases (ERAPs) and elastase LasB from the bacterium Pseudomonas aeruginosa. ERAPs (1 and 2) are involved in the process of antigen maturation. These enzymes cleave peptide precursors into mature antigenic peptides so that they have an optimal size for their complexation to the major histocompatibility complex of class I and thus initiate or not the adaptive immune response. The expression levels of these proteases as well as single nucleotide polymorphisms have been associated with the development of cancers and autoimmune diseases. Thus, the modulation of these enzymes would allow to fight against pathologies associated with the immune system. P. aeruginosa is a Gram-negative bacterium with remarkable virulence and antimicrobial resistance. Today, antibiotic resistance represents a major public health issue and there is an urgent need for new therapeutics. In order to meet this need, new strategies have emerged such as targeting the virulence of bacteria to "disarm" them. LasB represents a therapeutic target of choice due to its extracellular localization and its physiopathological implications (colonization, invasion, evasion of immune response, biofilm formation, etc.). Although there is a clear unmet medical need in these two therapeutic areas, no modulator of ERAPs or LasB has reached the market. Thus, the use of the KTGS strategy followed by optimization phases allowed us to identify and optimize new families of ligands for these enzymes. These compounds can be considered as promising lead compounds since they present nanomolar affinities for their respective targets, selectivity and toxicity profiles as well as remarkable physicochemical properties.

Die Target-Guided Synthese von Proteinliganden ist eine innovative Strategie zur Entdeckung bioaktiver Verbindungen. Insbesondere die kinetische Target-Guided Synthese (KTGS) und die dynamische kombinatorische Chemie (DCC) haben in den letzten Jahren die Entdeckung neuartiger Liganden für schlecht erforschte therapeutische Ziele ermöglicht, was Projekte zur Entdeckung von Arzneimitteln ermöglicht hat. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts sollen mithilfe der KTGS Liganden für zwei Klassen von Metalloenzymen entdeckt und optimiert werden, nämlich die Aminopeptidasen des endoplasmatischen Retikulums (ERAPs) und die Elastase LasB aus dem Bakterium Pseudomonas aeruginosa. Die ERAPs (1 und 2) sind am Prozess der Antigenreifung beteiligt. Diese Enzyme spalten Peptidvorläufer in reife antigene Peptide, so dass diese eine optimale Größe für ihre Komplexbildung mit dem Haupt histokompatibilitätskomplex der Klasse I haben und somit die adaptive Immunantwort einführen oder nicht. Die Expressionsniveaus dieser Proteasen sowie Einzelnukleotid-Polymorphismen wurden mit der Entwicklung von Krebs und Autoimmunkrankheiten in Verbindung gebracht. Die Modulation dieser Enzyme würde es also ermöglichen, Pathologien zu bekämpfen, die mit dem Immunsystem zusammenhängen. P. aeruginosa ist ein Gramnegatives Bakterium mit bemerkenswerter Virulenz und antimikrobieller Resistenz. Die Antibiotikaresistenz stellt heute ein großes Problem für die öffentliche Gesundheit dar, und es besteht ein dringender Bedarf an neuen Therapeutika. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurden neue Strategien entwickelt, die auf die Virulenz der Bakterien abzielen, um sie zu "entwaffnen". LasB ist aufgrund seiner extrazellulären Lokalisierung und seiner physiopathologischen Auswirkungen (Kolonisierung, Invasion, Umgehung der Immunantwort, Biofilmbildung usw.) ein therapeutisches Ziel der Wahl. Obwohl in diesen beiden therapeutischen Bereichen eindeutig ein ungedeckter medizinischer Bedarf besteht, ist bisher kein Modulator von ERAPs oder LasB auf dem Markt. Durch die Anwendung der KTGS-Strategie, gefolgt von Optimierungsphasen, konnten wir neue Familien von Liganden für diese Enzyme identifizieren und optimieren. Diese Verbindungen können als vielversprechende Leitverbindungen betrachtet werden, da sie.

La synthèse guidée par la cible de ligands protéiques est une stratégie innovante pour découvrir des composés bioactifs. En particulier, la Kinetic Target-Guided Synthesis (KTGS) and the Dynamic Combinatorial Chemistry (DCC) ont permis, ces dernières années, de découvrir des ligands originaux pour des cibles thérapeutiques mal explorées, ce qui a permis de lancer des projets de découverte de médicaments. Ce projet de thèse vise à utiliser la KTGS pour découvrir, puis optimiser des ligands de deux classes de métalloenzymes que sont les aminopeptidases du réticulum endoplasmiques (ERAP) et l’élastase LasB de la bactérie Pseudomonas aeruginosa. Les ERAPs (1 et 2) participent au processus de maturation des antigènes. Ces enzymes clivent les précurseurs peptidiques en peptides antigéniques matures afin que ceux-ci disposent d’une taille optimale pour leur complexation au complexe majeur d’histocompatibilité de classe I et ainsi initient ou non la réponse immunitaire adaptative. Les niveaux d’expression de ces protéases ainsi que des polymorphismes d’un seul nucléotide ont été associé au développement de cancers et de maladies auto-immunes. Ainsi, la modulation de ces enzymes permettrait de lutter contre les pathologies associées au système immunitaire. P. aeruginosa est une bactérie Gram negative dotée d’une virulence et d’une résistance aux antimicrobiens remarquable. Aujourd’hui, la résistance aux antibiotiques représente un enjeu de santé publique majeur et il y a un besoin urgent en nouvelles thérapeutiques. Afin de satisfaire ce besoin, de nouvelles stratégies sont apparues comme celle consistant à cibler la virulence des bactéries afin de « désarmer » celles-ci. LasB représente une cible thérapeutique de choix de par sa localisation extracellulaire et ses implications physiopathologiques (colonisation, invasion, évasion à la réponse immunitaire, formation de biofilm, etc.). Bien qu'il y ait un besoin médical évident non satisfait dans ces deux aires thérapeutiques, aucun modulateur des ERAPs ni de LasB n'a atteint le marché. Ainsi, l’utilisation de la stratégie KTGS suivie de phases d’optimisation nous ont permis d’identifier et optimiser de nouvelles familles de ligands de ces enzymes. Ces composés peuvent être considérés comme des leads prometteurs puisqu’ils présentent des affinités nanomolaires pour leurs cibles respectives, des profils de sélectivité et de toxicité ainsi que des propriétés physicochimiques remarquables.