Structural study of the vaccinia virus and Plasmodium falciparum thymidylate kinases : molecular basis for their specificity and new therapeutic agents

Etude structurale des thymidylate kinases de poxvirus et de Plasmodium falciparum : bases moléculaires de leur spécificité et nouveaux agents thérapeutiques

• Auteur / Autrice : Christophe Caillat
• Direction : Philippe Meyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences biologiques. Ingénierie des protéines
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmodium falciparum

Virus de la vaccine

Thymidylate kinase

Résumé

Les thymidylate kinases (TMPK) participent à la synthèse des désoxyribonucléotides. Elles se retrouvent également impliquées dans la voie d'activation de nombreux analogues de nucléosides antiviraux ou anticancéreux. Nous nous sommes intéressés aux TMPK de deux pathogènes humains qui présentent une spécificité de substrat élargie par rapport à la TMPK humaine. Nous voulons déterminer les bases structurales de la reconnaissance des substrats pour ces deux TMPK. J'ai déterminé les structures de la TMPK du virus de la vaccine en complexe avec le TDP et en complexe avec le Bromo-Vinyl-dU monophosphate (brivudin). La TMPK du virus de la vaccine possède un mode d'association homodimérique original qui est lié à la présence d'un canal qui connecte le bord de l'interface dimérique à la poche de fixation du TMP. Ce canal permet d'expliquer la plasticité du site actif de l'enzyme de la vaccine, capable d'accommoder des substrats tels que la brivudin et des analogues du dGMP. Contrairement à l'enzyme humaine, la TMPK de P. Falciparum peut utiliser les nucléosides puriques comme substrats. J'ai identifié les bases structurales de cette spécificité. Je présente également la structure de la TMPK humaine en complexe avec un nouvel analogue de nucléoside phosphonate acyclique. Cette structure révèle une nouvelle conformation impliquée dans la fixation/libération des substrats. Avec nos collaborateurs, nous proposons des molécules qui serviront de base à la conception de nouveaux agent thérapeutiques pouvant stopper la réplication de ces pathogènes. La TMPK du virus de la vaccine pourrait également être utilisée dans les thérapies à virus oncolytiques ou en thérapie génique.

The thymidylate kinases participate to the synthesis of deoxyribonucleotides. They are also involved in the activation pathway of many anticancer or antiviral nucleosides analogs. In this work, we study the TMPK of two human pathogens: the vaccinia virus and the Plasmodium falciparum parasite that present broader substrate specificity. Our aim is to define the structural basis for substrate binding of this two TMPK. I have solved the crystal structures of vaccinia virus thymidylate kinase bound to TDP or Bromo-Vinyl-dU monophosphate (brivudin). The vaccinia TMP kinase forms an original dimeric arrangement that is related to the presence of a canal connecting the edge of the dimer interface to the TMP base binding pocket. This canal contributes to the plasticity of the active site that can accommodate nucleotides with bulkier bases, like brivudin and dGMP analogs. Contrary to the human TMPK, the P. Falciparum TMPK can tolerate the bulkier purines bases. I solved the structure of Pf-TMPK bound to dGDP and identified structural features for this specificity. I present the structure of the human TMPK bound to a new acyclic nucleoside phosphonates. This structure reveals a new conformation implied in substrate binding and release. With our collaborators, we suggest new molecules. These lead molecules could be used as basis for the rational development of specific antipox and antimalarial agents. The vaccinia virus TMPK could also be used as a suicide gene that may be suitable for oncolytic virotherapy or in gene therapy in order to induce apoptosis in the target cells.