Faculté des sciences de base SB, Section de chimie et génie chimique, Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques ISIC (Laboratoire de chimie biomimétique et des peptides LCBP)

"Switch peptides" : conception et synthèse d'inhibiteurs ou destructeurs potentiels de fibrilles amyloïdes

Saucede, Lydiane ; Tuchscherer, Gabriele (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3499.

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    Summary
    Despite of considerable progress in the research at the interface of Chemistry, Biology and Medicine, neurodegenerative diseases affect more and more seriously our ageing population and remain a real therapeutic challenge for researcher. Nevertheless, advances made in this field allow us to better understand the molecular mechanisms responsible for these disorders and to stress the involvement and the key-role of conformational changes of some proteins. Thought to be at the origin of Alzheimer's disease, amyloid-β peptide undergoes structural modifications leading to β-sheet structures, which further aggregate into toxic fibrils and plaques. However, intrinsic properties of these structures result in problems such as insolubility and self-aggregation limiting their experimental access. Among the main research lines to find an efficient therapeutic agent to fight against Alzheimer's disease, fibrillar inhibition is considered as promising strategy. It requires the use of a molecule, called β-breaker, which would be able to block the misfolding triggered by conformational transitions. Consequently, the present thesis is focusing on the design and chemical synthesis of potential inhibitors of amyloid-β fibrillogenesis. As a specific common feature, the designed compounds integrate in their chemical structure a short sequence ("nucleation site") derived from the central part of Aβ(1-42), allowing to specifically interact with the pathogenic peptide. We first envisaged to design cyclic peptides as potential inhibitors containing proline residues, known for its destabilizing effect upon secondary structures (way A). In collaboration with C. Soto et al., Univ. Galveston, the biological activity of the prototype cyclo(Lys-Leu-Pro-Phe-Phe-Glu) was tested. Most notably, electron microscopy, in collaboration with J. Dubochet and M. Adrian, UNIL, Congo red and thioflavin T staining, and CD studies pointed to the potential of cyclic peptides as Aβ inhibitors. Subsequently, conjugate peptides, assembling the recognition sequence of amyloid-β and organic molecules with potential to block fibrillogenesis were synthesized specifically. (+/-)-Trans-4-cotininecarboxylic acid, 3-indolebutyric acid and a tripeptide β-strand mimic were chosen. The biological assessment of these molecules allowed us to highlight their potential in this therapeutic strategy as well as the advantage given by the intercalation of a proline between the two components of these conjugates. In an effort to introduce in the structure of β-breakers a dynamization element, comparable to the cis/trans isomerization of proline, we designed a new type of β-breaking molecules according to strategy B (Figure). The elaboration of this innovating concept termed "switch-peptides" allows to controll the function of a polypeptide by using intramolecular acyl migration as switch-element for the in situ induction of structure and function. By combining an conformational induction unit σ, a switch element S (cysteine or serine) and an amyloid recognition sequence, we obtained a new generation of dynamic β-breakers. At the Soff state, the σ part was linked to the switch element S via an ester bond, deactivating the structural influence of the conformational induction unit on the target peptide, resulting in the absence of biological activity. By removing the protecting group Y from the amino function of the switch element, intramolecular acyl migration was triggered, restoring the native amide bond, setting off the impact of σ (Son state). In applying pseudo-prolines as β-breaking σ-elements (resulting in a "kink" conformation), the corresponding switch-peptide can adopt a recognition state (Soff) and a β-sheet disrupting state (Son), triggered by controlled acyl migration. We explored the use of cysteine as switch element, with special attention to the chemoselective synthesis, kinetics of acyl migration and potential for β-breaking. Interestingly, the S→N acyl migration proceeded very fast at physiological pH, in comparison to serine derived O→N migrations. Of utmost importance for further extensions of the switch-concept, the design of non peptidic S-elements such as trifunctionalized aromatic compounds would allow us to generate the β-breaking element in situ. As a first step, the intramolecular acyl migration O→N via an intermediate of 5, 6, 7 or 9 membered rings, as well as the reversibility of this reaction, was successfully demonstrated. In addition, enzymatically cleavable protecting groups Y for triggering acyl migrations were established. In conclusion, the present thesis presents some promising concepts in the design of fibril disrupting compounds of considerable therapeutical potential.
    Résumé
    A l'heure des grandes avancées scientifiques et médicales, les maladies neurodégénératives touchent de plus en plus nos populations vieillissantes et demeurent un challenge thérapeutique pour nos chercheurs. Les progrès réalisés dans ce domaine ont néanmoins permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires responsables de ces troubles et de mettre l'accent sur l'implication et le rôle clé des changements conformationnels de certaines protéines. Ainsi, l'amyloïde β, peptide supposé responsable de la maladie d'Alzheimer, subit des modifications structurales le conduisant à former des feuillets β, s'agrégeant ensuite sous forme de fibrilles. Or les propriétés intrinsèques de ces structures impliquent d'importants problèmes, entre autres d'insolubilité et d'auto-agrégation, rendant leur étude délicate. Parmi les principaux axes de recherche de moyens thérapeutiques efficaces pour lutter contre la maladie d'Alzheimer, l'inhibition fibrillaire est une stratégie prometteuse. Elle requiert l'addition d'une molécule, dite destructrice de feuillets β, pouvant bloquer le mauvais repliement déclenché par les transitions conformationnelles. Ce travail de thèse se focalise ainsi sur la conception et la synthèse chimique d'inhibiteurs potentiels de la fibrillogenèse de l'amyloïde β. Ces composés ont tous comme point commun l'utilisation, dans leur structure, d'une courte séquence ("site de nucléation") dérivée de la partie centrale de l'Aβ(1-42) leur permettant d'interagir spécifiquement avec le peptide pathogène. Dans un premier temps, nous avons envisagé de concevoir, comme inhibiteurs potentiels, des peptides cycliques contenant des résidus prolines, connues pour leur effet destabilisant de structures secondaires (voie A). En collaboration avec C. Soto et al., Univ. Galveston, l'activité biologique du prototype cyclo(Lys-Leu-Pro-Phe-Phe-Glu) a été testée. Plus particulièrement, la microscopie électronique, réalisée en collaboration avec J. Dubochet et M. Adrian, UNIL, la coloration au rouge Congo ou à la thioflavine T et les études par CD montrèrent le potentiel des peptides cycliques en tant qu'inhibiteurs d'Aβ. Nous avons ensuite synthétisé plus spécifiquement des peptides conjugués, réunissant la séquence de reconnaissance de l'amyloïde β à une molécule organique ayant la capacité de bloquer la fibrillogenèse. Pour cela, nous avons choisi d'utiliser l'acide (+/-)-trans-4-cotinecarboxylique, l'acide 3-indolebutyrique et un mime tripeptidique de brin β. L'évaluation biologique de ces molécules nous a ainsi permis de mettre en évidence leur potentiel dans cette stratégie thérapeutique, ainsi que le bénéfice apporté par l'intercalation d'une proline entre les deux composantes de ces peptides conjugués. Afin d'introduire, dans la structure des β-destructeurs, un élément de dynamisation comparable à l'isomérisation cis/trans de la proline, nous avons conçu une nouvelle lignée de molécules β-destructrices (voie B). L'élaboration d'un concept innovant de "switch-peptides" permet de contrôler la fonction d'un polypeptide par le biais d'une migration acylique intramoléculaire utilisée comme élément "switch" pour l'induction in situ de la structure et de la fonction. En combinant une unité d'induction conformationnelle σ, un élément "switch" S (cystéine ou sérine), et une séquence de reconnaissance amyloïde, nous obtenons là une nouvelle génération de destructeurs de feuillets β dynamiques. A l'état Soff, la partie σ est liée à l'élément "switch" S via une liaison ester désactivant l'influence structurale de l'unité d'induction conformationnelle sur le peptide cible, résultant en l'absence d'activité biologique. En libérant l'amine de l'élément "switch" jusqu'alors protégée par un groupement Y, nous déclenchons une migration acylique intramoléculaire, rétablissant la liaison amide native, et de ce fait, l'impact de l'unité σ (état Son). En utilisant les pseudo-prolines comme éléments σ β-destructeurs (formant une conformation coudée), les "switch-peptides" correspondants peuvent adopter un état de reconnaissance (Soff), puis un état de destruction de feuillets β (Son), contrôlés par une migration acylique intramoléculaire. Nous avons exploré l'utilisation de la cystéine comme élément "switch", avec une attention particulière pour la synthèse chemosélective, la cinétique de la migration acylique correspondante, ainsi que le potentiel en tant que β-destructeur. Nous avons constaté avec intérêt que la migration acylique S→N était particulièrement rapide, à pH physiologique, par rapport au réarrangement acylique O→N. D'une importance capitale pour de prochains développements du concept "switch", la conception d'éléments "switch" non peptidiques, tels que des composés aromatiques trifonctionnalisés, devrait nous permettre de générer l'élément β-destructeur in situ. Dans une première étape, nous avons démontré avec succès la faisabilité de la migration acylique intramoléculaire O→N via un cycle à 5, 6, 7 ou 9 membres, ainsi que la réversibilité de cette réaction. De plus, nous avons établi l'utilisation de groupements protecteurs Y enzymolabiles pour déclencher ces migrations acyliques. En conclusion, ce travail de thèse présente des concepts prometteurs dans la conception de composés destructeurs de fibrilles ayant un potentiel thérapeutique considérable.