Synthèse et études biologiques de ligands de lésions de l'ADN en tant qu'inhibiteurs de la réparation de l'ADN : une approche interdisciplinaire

par Coralie Caron

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Anton Granzhan et de Sophie Bombard.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes , en partenariat avec Chimie, modélisation et imagerie pour la biologie (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Les travaux portant sur l'importance de la réparation de l'ADN pour la maintenance de l'intégrité génomique et pour le fonctionnement normal de l'organisme ont été récompensés par le Prix Nobel de la Chimie en 2015. Toutefois, dans le domaine du traitement du cancer, la réparation de l'ADN minimise le dommage de l'ADN produit par les agents anti-cancéreux et conduit in fine à la radio- ou chimiorésistance. Dans ce contexte, la réparation par excision de base (BER, base excision repair) représente l'une des voies principales de la réparation de l'ADN, où l'endonucléase apurinique/apyrimidique (APE1) est un enzyme « clef » qui clive les sites abasiques (produits par des glycosylases spécifiques aux dommages de l'ADN) et initie la resynthèse du brin de l'ADN. L'activité de l'APE1 a été identifiée comme la source majeure de la chimio- et la radiorésistance dans certains cancers, notamment le gliome. Ainsi, quelques études ont validé la voie de BER et plus particulièrement l'APE1 comme les cibles privilégiées dans la thérapie anti-cancéreuse. Outre que cibler l'enzyme (APE1) lui-même, le ciblage (ou « masquage ») de son substrat, notamment des sites abasiques dans l'ADN, a été considéré comme une stratégie alternative pour bloquer la voie de BER. Dans cette optique, nous avons récemment démontré que les composés macrocycliques, tels que les bis-naphtalènes, se lient fortement et sélectivement à des paires de bases mésappariées et des sites abasiques dans l'ADN. Ce processus interfère avec la reconnaissance et le clivage de ces derniers par APE1, conduisant in vitro à un fort effet inhibiteur qui est comparable, voire dépasse, l'activité des meilleurs inhibiteurs « directes » d'APE1 qui agissent sur la protéine elle-même. En outre, les composés macrocycliques possèdent également une activité d'AP-lyase (clivage de l'ADN en proximité du site abasique) qui, dans les cellules, peut être responsable de la production (ou d'amplification) des dommages de l'ADN et conduire au ciblage préférentiel de cellules déficientes en réparation de l'ADN. Toutefois, le mode d'action cellulaire de ces composés n'est pas encore validé. Le projet de thèse vise à la compréhension de l'activité biologique des composés macrocycliques, à savoir leur interférence avec la réparation de l'ADN. Dans ce but, une approche interdisciplinaire (chimie / biologie cellulaire) sera utilisée. Tout d'abord, deux séries de composés macrocycliques seront préparés : (i) les dérivés dépourvus de l'activité de clivage de l'ADN mais maintenant l'inhibition d'APE1, et (ii) les dérivés ayant une activité forte de clivage de l'ADN. L'affinité et la sélectivité des nouveaux composés vis-à-vis d'un substrat modèle (site abasique de l'ADN) et d'autres lésions de l'ADN seront étudiées en utilisant les techniques biophysiques établies au laboratoire. Ensuite, l'effet de deux séries de composés sur l'activité des enzymes de réparation de l'ADN (APE1, mais aussi TFP1, AAG et OGG) sera évalué in vitro en utilisant des protocoles biochimiques standards. Enfin, la cytotoxicité des macrocycles seuls et en combinaison avec des médicaments anti-cancéreux ciblant l'ADN sera étudiée sur des lignées de cellules cancéreuses, afin d'évaluer le potentiel thérapeutique de ces inhibiteurs de réparation de l'ADN. Dans le but d'identifier les bases moléculaires du mécanisme d'action de ces composés, les modifications sur l'ADN induites par les différents traitements seront évalués (quantification de sites abasiques, de coupures de l'ADN, de protéines recrutées…)

  • Titre traduit

    Synthesis and biological studies of DNA lesion binders as inhibitors of DNA repair: an interdisciplinary approach


  • Résumé

    The works demonstrating the importance of DNA repair to the integrity of the genome and thus to the normal functionality of the organism have been recognized by the 2015 Nobel Prize in Chemistry. However, in the context of cancer therapy, the DNA repair reduces the DNA damage induced by DNA-targeting anti-cancer agents and ultimately leads to radio- or chemoresistance. Along these lines, base excision repair (BER) represents an important DNA repair pathway, with apurinic / apyrimidinic endonuclease (APE1) being its key en¬zyme, which cleaves abasic sites generated by damage-specific DNA glycosylases and initiates DNA resynthesis. The DNA repair activity of APE1 was identified as the major source of chemo- and radioresistance in certain cancers, especially in glioma. Thus, several studies validated the BER pathway and, particularly, the APE1 enzyme as important drug targets for anti-cancer therapy. Beyond targeting the APE1 enzyme itself, targeting (or “masking”) its substrate, namely abasic sites in the DNA, has been considered as an alternative strategy to block the BER pathway. Along these lines, we have recently demonstrated that macrocyclic compounds such as bis-naphthalene macrocycles strongly and selectively bind to mismatched base pairs and abasic sites in DNA. This process interferes with the recognition and repair of the latter by APE1, leading in vitro to a strong inhibitory effect which is comparable to, or even exceeds, the activity of the best “direct” APE1 inhibitors acting on the protein itself. In addition, macrocyclic compounds also possess AP-lyase-like activity (i.e. enzyme-independent DNA cleavage at abasic site), which, in cells, may be responsible for generation (or amplification) of DNA damage and lead to preferential targeting of DNA repair-deficient cells. However, the cellular mode of action of these compounds leading to the preferential targeting of DNA repair-deficient cell lines is not yet understood. The present PhD project is aimed at the understanding of the biological activity of the macrocycles, namely their interference with the DNA repair. Towards this end, an interdisciplinary chemistry / cell biology strategy will be used. First, two series of model macrocyclic compounds will be prepared: (i) derivatives devoid of the DNA cleavage activity but maintaining the high efficiency for APE1 inhibition, and (ii) derivatives with a strong DNA-cleavage activity. The affinity and selectivity of the new compounds to the model substrate (DNA abasic site) and other DNA lesions will be studied using the biophysical techniques established in the laboratory. Then, the effect of both series of compounds on the activity of DNA repair enzymes (APE1, but also TFP1, AAG and OGG) will be assessed in vitro using standard biochemical protocols. Finally, the cytotoxicity of the macrocycles alone and in combination with DNA-targeting anti-cancer drugs will be studied using selected cell cancer lines, in order to evaluate the therapeutic potential of these DNA repair inhibitors. Moreover, in order to identify molecular mechanisms of action of these compounds, the modifications on DNA induced by such treatments will be evaluated (quantification of abasic sites and DNA break sites, recruited proteins etc.)