Nouveaux peptides chélateurs du Cu(I) comme candidat potentiel pour le traitement de maladie de Wilson

par Edit Mesterhazy

Thèse de doctorat en Chimie inorganique et bio inorganique

Sous la direction de Pascale Delangle.

Le président du jury était Janos Wolfling.

Le jury était composé de Pascale Delangle, Catherine Belle, Gabor Schuszter.

Les rapporteurs étaient Katalin Várnagy, Marius Réglier.


  • Résumé

    Le cuivre est un micronutriment essentiel qui participe à de nombreux processus biologiques. Cependant, le cuivre libre est toxique pour l’organisme parce qu’il catalyse une réaction de type Fenton formant des espèces réactives de l’oxygène. Par conséquent la concentration en cuivre est finement régulée dans tous les organismes vivants. Les maladies de Menkes et de Wilson sont dues à des dérèglements de l’homéostasie du cuivre qui se manifestent respectivement par une déficience ou une accumulation de cuivre dans l’organisme. La maladie de Wilson est traitée avec des chélateurs du cuivre, qui provoquent des effets secondaires importants chez certains patients.Mon projet de doctorat consiste en l’élaboration de trois familles de peptides qui contiennent des acides aminés cystéines et en l’étude de leurs complexes de Cu(I) pour déterminer s’ils sont des candidats adaptés pour le traitement de la maladie de Wilson. L'interaction de certains peptides avec les ions Hg(II) ou Zn(II) a également été étudiée. En effet, le Hg(II) est un cation métallique possédant des propriétés similaires au Cu(I) et donc souvent utilisé pour modéliser le Cu(I) qui est sensible à l'oxygène et se dismute dans l’eau. Le Zn(II) est quant à lui omniprésent dans les cellules et un compétiteur intracellulaire potentiel du Cu().Les séquences des peptides ont été choisies selon trois stratégies différentes. Dans la première, des séquences inspirées de la boucle de liaison du cuivre de la protéine bactérienne CueR (copper efflux regulator), contenant deux cystéines, ont été étudiées afin de bénéficier de la sélectivité et de la sensibilité de ce régulateur. Dans une deuxième approche, des peptides contenant trois cystéines dans les motifs CxCxxC et CxCxC ont été étudiés pour combiner les avantage des peptides (bonne internalisation dans les cellules hépatiques quand ils sont judicieusement fonctionnalisés) et des tripodes (très forte affinité pour le Cu(I)) de l’équipe CIBEST. Finalement, la pré-organisation a été exploitée dans un tétrapeptide rigide où les deux cysteines sont liées dans un coude β préformé.Les trois peptides modèles du régulateur CueR miment la capacité de la protéine à accueillir exclusivement un ion Cu(I) dans des conditions d'excès de ligand et une forte affinité et sélectivité par rapport au Zn(II). Ces caractéristiques sont avantageuses dans la perspective du développement de nouveaux chélateurs du Cu(I).Les peptides contenant trois cystéines s’avèrent trop flexibles pour contrôler la spéciation des complexes du Cu(I). Par ailleur, ces peptides sont bien adaptés pour une coordination efficace du Hg(II) par trois groupes thiolates. Les différences structurales n’ont qu’une influence modeste sur les stabilités des complexes. La différence dans la coordination des peptides vis-à-vis des deux ions mous Hg(II) et Cu(I) démontre que l'utilisation du Hg(II) comme ion modèle pour la coordination du Cu(I) avec des peptides ou des protéines riches en soufre dans des conditions physiologiques n’est pas toujours appropriée.La pré-organisation de la structure peptidique est un élément clé du contrôle de la spéciation du complexe Cu(I) et de l’affinité des ligands pour le Cu(I). Le peptide CDPPC forme uniquement le cluster Cu4P3 avec une grande stabilité et une bonne sélectivité Cu(I)/Zn(II). Au contraire, les données expérimentales avec le tétrapeptide plus flexible CPGC montrent la formation d’un mélange de complexes polymétalliques de Cu(I). Il est intéressant de noter que le peptide simple CDPPC est capable d’imiter la formation des clusters Cu(I)-thiolates identifiés dans de nombreuses protéines impliquées dans l’homéostasie du cuivre, comme Cox17 ou Ctr1. CDPPC est intéressant pour mettre au point un chélateur intracellulaire du Cu(I), et sa fonctionnalisation afin de pouvoir cibler les cellules hépatiques pour le traitement de maladie Wilson sera donc pertinente dans le futur.

  • Titre traduit

    New peptidic Cu(I) chelators as potential candidates for the treatment of Wilson’s disease


  • Résumé

    The essential micronutrient copper participates in several biological processes, like respiration, iron homeostasis, antioxidant defense or pigment formation. However, excess of copper can promote ROS formation and thus induce oxidative damages. Therefore, intracellular copper concentration is under strict control. Menkes and Wilson’s diseases are genetic disorders causing impairment in copper homeostasis leading to copper deficiency or overload, respectively. Wilson’s disease is treated by chelation therapy, but the presently used drugs have several adverse side effects.The aim of my Ph.D. work consisted of the design of three groups of cysteine containing peptides and the characterization of their Cu(I) complexes to determine whether they are appropriate candidates for the treatment of Wilson’s disease.The peptides were designed following three different approaches. In a first strategy, we attempted to take advantage of the outstanding selectivity and sensitivity of the bacterial copper efflux regulator protein CueR by studying oligopeptides based on the metal binding motif of CueR involving two cysteine residues. Second, three-cysteine containing linear and cyclic peptides were designed with the aim of merging the better internalization of peptides by hepatocytes and the high Cu(I) affinity of tripods previously studied in the Delangle’s lab. Finally, the advantages of a highly preorganized peptide structure were exploited in a short, rigid tetrapeptide where two cysteines were linked by a turn motif (CDPPC). For comparative purposes studies were also performed with another, less rigid tetrapeptide ligand containing the PG unit as a turn inducing motif.The three CueR model peptides resemble the ability of the protein to exclusively accommodate one metal ion under ligand excess conditions. This, combined with the large affinity and high selectivity vs. Zn(II), are the features that are advantageous in the view of the development of new Cu(I) chelators.The three-cysteine-containing peptides proved to be too flexible to control the speciation and hereby leading to the formation of several species. On the other hand, they are well adapted for an efficient trithiolate coordination of the thiophilic cation Hg(II). Structural differences in the three-cysteine containing peptides have minor effect on the affinity of the ligands towards Cu(I) and Hg(II) ions. The striking difference in the behavior of the peptides towards the two soft metal ions demonstrate that the use of Hg(II) as a probe for Cu(I) coordination with sulfur-rich peptides or proteins in physiological conditions may not always be fully appropriate.Preorganization of the peptide structure is a key element in the control of Cu(I) complex speciation and in the affinity of the ligands for Cu(I).CdPPC forms a single Cu4P3 cluster with high stability and displays large selectivity for Cu(I) with respect to the ubiquitous Zn(II). In contrast, The CPGC-Cu(I) system is characterized by a more complicated complex formation. It is worth to note, that the simple CdPPC peptide is able to mimic the Cu(I)-thiolate cluster formation that are typical in proteins like Ctr1 or Cox17. CDPPC is an interesting simple peptide candidate to be targeted to the liver cells for the localized treatment of Cu overload in Wilson’s disease.


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