Mass Spectrometry Study of G-Quadruplex Nucleic Acids : folding Pathways and Ligand Binding Modes

par Adrien Marchand

Thèse de doctorat en Interface Chimie-Biologie

Sous la direction de Valérie Gabelica.

Le président du jury était Jean-Marie Schmitter.

Le jury était composé de Victoria Birkedal, Patrick A. Limbach, Marie-Paule Teulade-Fichou.

Les rapporteurs étaient Eric Defrancq, Carlos Afonso.

  • Titre traduit

    Etude de G-Quadruplexes par Spectrométrie de Masse : chemins de Repliement et Modes de Liaison de Ligands


  • Résumé

    Un G-quadruplex (G4) est une structure non-canonique d’acides nucléiques formée par des séquences riches en guanines. Certains G4s sont polymorphiques, une même séquence peut former desG4s de différentes topologies. Les G4s sont proposés comme régulateurs de processus biologiques car ils sont trouvés dans des régions génomiques clés telles que dans des promoteurs de gènes et au niveau des télomères. Stabiliser ces G4s par rapport à la forme duplexe est une stratégie proposée pour combattre le cancer. Pour ce faire, des ligands spécifiques et affins sont utilisés. Le design de ces ligands implique habituellement de larges plans aromatiques, optimisés pour se lier par des interactions π-π sur les Gquartets extérieurs. Cependant, si ce type d’interaction était le seul mode de liaison, tous les ligands auraient des affinités similaires pour tous les G4s.Afin de caractériser les structures ciblées et de quelle manière les ligands vont interagir avec celles-ci, nous avons utilisé la spectrométrie de masse de type native (MS). D’abord, nous avons développé une méthode de préparation d’échantillons en conditions KCl pour former les G4s dans des conditions biologiquement pertinentes. Ensuite, nous avons caractérisé les équilibres de liaison du K+ aux G4s et caractérisé leur mécanisme de repliement. Ce mécanisme implique la présence d’une impasse constituée de G4s antiparallèles à 1- et 2-K+ qui sont formés rapidement. Enfin, nos études de liaison de ligands ont montré que certains des ligands les plus affins pouvaient influencer la structure des G4s comme observé par le nombre d’ions potassium liés. Les ligands Phen-DC3, 360A et PDS sont capables de déplacer les équilibres vers la forme à 1-K+ antiparallèle. La structure antiparallèle à 2-K+ est favorisée par la liaison coopérative de deux ligands Cu-ttpy. Ces résultats démontrent l’importance de la caractérisation des stoechiométries de complexes ternaires (G4:ligand:K+), obtenue par la spectrométrie de masse native.


  • Résumé

    A G-quadruplex (G4) is a non-canonical nucleic acids structure formed by guanine-rich sequences. Some G4s are polymorphic, a given sequence can form G4s of different topologies. G4s are proposed to be biological regulators because they are found in key regions of the genome, for example, ingene promoters or at the telomeres. Stabilizing G4s formed in those regions as compared to the duplex form is a strategy to fight cancer. To do so, specific and affine ligands are used. Ligand design usually implies the optimization of large aromatic planes to π-π stack on external G-quartets. However, if this was the only binding mode, all ligands would bind with similar affinities to all G4s.To characterize which structures should be targeted and how the ligands interact with these structures, we used native mass spectrometry (MS).First, we developed a MS-compatible sample preparation method in KCl conditions in which G4s are folded with similar topologies as compared to those obtained in biologically relevant conditions. Then, we characterized the K+ binding equilibria and G4s folding pathways. This folding pathway involves the presence of a dead-end constituted by antiparallel G4s with either 1- or 2-K+ cations that are folded first. Finally, our ligand binding studies showed that some of the most affine ligands can influence G4’sstructures, as probed by the number of K+ ions bound. Ligands Phen-DC3, 360A and PDS are able to shift the equilibria towards the 1-K+ antiparallel G4s. The formation of antiparallel with 2-K+ complexes is induced by the cooperative binding of two Cu-ttpy ligands. Our results demonstrate the importance to characterize ternary complex stoichiometries (G4:ligand:K+) as obtained from native mass spectrometry.


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