Development of novel helical nucleopeptides for applications as nucleic acid modulators

par Piero Geotti-Bianchini

Thèse de doctorat en Sciences chimiques

Sous la direction de Alberto Bianco et de Fernando Formaggio.

Soutenue en 2009

à Strasbourg en cotutelle avec Padova - Italie .

  • Titre traduit

    Nouveaux nucléo-peptides hélicoïdaux en vue d'applications en modulation d'acides nucléiques


  • Résumé

    La thérapie génique vise à traiter des maladies en agissant au niveau moléculaire sur les acides nucléiques (ADN et ARN). Des oligonucléotides synthétiques peuvent reconnaître des séquences complémentaires et ainsi inhiber ou moduler leur expression in vitro. Pourtant, l‟application d‟oligonucléotides synthétiques in vivo n‟est pas possible, étant donné leur dégradation rapide par les nucléases et leur faible capacité à pénétrer la membrane cellulaire. Pour remédier à ces problèmes, des analogues des nucléotides doués des meilleures propriétés biologiques, et gardant, ou même améliorant, l‟affinité et la sélectivité caractéristiques des nucléotides naturels vis-à-vis des séquences complémentaires ont été proposés. Une classe d‟analogues récemment développée est constituée des nucléo-peptides, peptides qui ont dans leur séquence des nucléo-acides aminés, contenant sur les chaines latérales les bases azotées caractéristiques des acides nucléiques. Le projet de recherche avait l‟objectif d‟étudier les propriétés des nucléo-peptides séquentiels ayant des alanyl nucléo-acides aminés (AlaB), en position i,i+3, en vue d‟applications comme modulateurs d‟acides nucléiques. En fait, si ces nucléo-peptides adoptent une structure hélicoïdale de type 310, les nucléobases sur les chaines latérales sont alignées et forment un côté fonctionnalisé de l‟hélice, de manière à interagir d‟une façon coopérative avec des séquences complémentaires. Pour mieux étudier les effets de la stabilité conformationelle sur les propriétés de reconnaissance des nucléo-peptides, soit des nucléo-peptides rigides (basés sur l‟acide aminé C-tetrasubstitué Aib, promoteur des structures hélicoïdales 310), soit des nucléo-peptides flexibles (basés sur l‟acide aminé Ala, moins structurant), ont été synthétisés et leur propriétés conformationnelles et biologiques ont été étudiées. Par rapport aux nucléo-peptides rigides, cette thèse présente:(I) La synthèse et caractérisation de nucléo-peptides protégés contenants chacun une des quatre bases de l‟ADN ;(II) La synthèse et caractérisation d‟un nucléo-hexapeptide protégé et d‟un nucléo- heptapeptide complètement déprotégé renfermant deux thymines ;(III) La structure cristalline d‟un nucléo-tripeptide protégé basé sur la thymine ;(IV) La caractérisation conformationnelle en solution des nucléo-tripeptides protégés, du nucléo-hexapeptide et du nucléo-heptapeptide. Par rapport aux nucléo-peptides flexibles, cette thèse présente :(I) La conception et la synthèse parallèle sur phase solide de librairies de nucléo-peptides modèles, pour l‟optimisation du protocole synthétique et pour les analyses conformationnelles;(II) La conception et la synthèse parallèle sur phase solide de librairies de nucléo-peptides partiellement biotinilés ou dérivatisés avec un fluorophore, renfermant chacune des quatre bases de l‟ADN, pour des études de reconnaissance et biologiques;(III) La caractérisation conformationnelle DC et RMN 2D d‟un nucléo-heptapeptide modèle basé sur la thymine, et d‟un analogue avec un résidu d‟Aib au centre de sa séquence;(IV) L‟étude de la reconnaissance nucléo-peptide/nucléo-peptide et nucléo-peptide/ nucléotide mené par résonance plasmonique de surface, grâce à l‟immobilisation de molécules biotinilées sur des puces d‟or fonctionnalisées. Par rapport à l‟évaluation des propriétés biologiques des nucléo-peptides, cette thèse présente:(I) Des études de cytotoxicité sur un nucléo-peptide rigide et sur plusieurs nucléo-peptides flexibles fonctionnalisés;(II) Des essais de pénétration cellulaire suivis par cytométrie en flux et par microscopie, menés sur les nucléo-peptides biotinilés et fluorescents basés sur la thymine, supportés par des essais de co-localisation et par des mesures de pénétration en fonction du temps, de la concentration et de l‟énergie cellulaire;(III) Des mesures de stabilité en sérum murin menés sur les nucléo-heptapeptides flexible, mixte et rigide, renfermant des thymines. Enfin, l‟ensemble des données collectées a été évalué dans sa totalité afin de donner un jugement global sur les propriétés des nucléo-peptides étudiés en tant que précurseurs pour le développement de modulateurs d‟acides nucléiques.


  • Résumé

    Gene therapy aims at the treatment of genetic diseases at molecular level by interactions with nucleic acids (DNA and RNA). Synthetic oligonucleotides can selectively recognize complementary sequences and inhibit or modulate gene expression in vitro. However, it is not possible to use synthetic oligonucleotides for in vivo applications, due to several serious problems, particularly their rapid enzymatic hydrolysis and their extreme difficulty to cross cell membranes. To overcome such limitations, nucleotide analogues, which should have better biological properties while retaining, or even improving, the affinity and selectivity towards complementary strands characteristic of the natural nucleotide structures, have been designed. Nucleopeptides are one of the recently developed classes of analogues; they are peptides containing nucleoamino acid residues, non proteogenic amino acids carrying nucleobases at their side chains. The work presented in this thesis concerns the study of the properties of sequential helical nucleopeptides containing alanyl-nucleoamino acid residues (AlaB) at i,i+3 positions in view of applications as nucleic acid modulators. Indeed, if such nucleopeptides assume a 310-helical conformation, side chain nucleobases are aligned along the helical axis and this might favour cooperative interactions with complementary functionalized strands. To better evaluate the importance of structuration on the nucleopeptide pairing properties, both rigid (based on the 310 helix promoting C-tetrasubstituted residue Aib) and flexible (based in the less structuring proteogenic residue Ala) nucleopeptides have been synthesized and conformational and biological properties of both kinds of nucleopeptides have been investigated. As regards the rigid nucleopeptides, this work reports on:(I) The synthesis and characterization of protected nucleopeptides, each containing one of the four DNA nucleobases;(II) The synthesis of protected hexa-nucleopeptide and of a completely deprotected, water-soluble hepta-nucleopeptide, both containing two thymines;(III) The crystal structure of a protected thymine containing nucleo-tripeptide;(IV) The conformational characterization in solution of the protected nucleo-tripeptides, of the nucleo-hexapeptide and of the nucleo-heptapeptide. As regards the flexible nucleopeptides, this work reports on:(I) The design and solid-phase parallel synthesis of model nucleopeptide libraries, for synthetic protocol optimization and conformational analysis;(II) The design and solid-phase parallel synthesis of partially biotinylated or fluorescently derivatized nucleopeptide libraries containing each of the four DNA nucleobases, for pairing and biological tests;(III) The conformational characterization by CD and 2D NMR of a thymine-based model nucleo-heptapeptide containing two nucleobases, and of an analogue carrying an Aib residue in the middle of its sequence. (IV) The surface plasmon resonance analysis of nucleopeptide/nucleopeptide and of nucleopeptide/nucleotide pairing properties, through immobilization of biotinylated molecules on functionalized gold chips. As regards the assessment of the nucleopeptide biological properties, this works reports on:(I) Cytotoxicity tests carried on a rigid and on variously functionalized flexible thymine-based nucleopeptides;(II) Flow-cytometric and microscopy cell penetration experiments carried on fluorescent and biotinylated thymine-based nucleopeptides, supported by colocalization tests and by time, concentration, and energy dependence analysis of cell uptake. (III) Stability tests in mouse serum carried on flexible, mixed, and rigid thymine containing heptapeptides. Finally, the whole of the data collected have been evaluated in order to give a global judgement on the properties of the nucleopeptides studied as precursors for the development of nucleic acid modulators.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XIV-210 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 198-208

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2009;0045
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