Développement d'une chimie combinatoire encodée pour l'identification de ligands spécifiques d'ADN G-quadruplex

Development of combinatorial encoded chemistry for the identification of specific ligands of G-quadruplex DNA structure

• Auteur / Autrice : Pierre Rieber
• Direction : Thomas Lavergne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie biologie
• Date : Soutenance le 10/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe de recherche Ingénierie et Interactions BioMoléculaires (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de chimie moléculaire (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Eric Peyrin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Lavergne, Maria Duca, Anton Granzhan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Smietana, David Monchaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

G-quadruplexes

Interactions ADN-ligand

Mots clés libres

Librairie Chimique encodée par l'ADN

Biologie Moléculaire

Interactions biophysiques

Synthèse peptido-Organique

Ligation chimio-Sélective

DNA-Encoded chemical libraries (DECL)

Molecular Biology

Biophysical interactions

Peptido-Organic synthesis

Chemo-Selective ligations

Résumé

Au-delà des structures duplex, il existe des preuves convaincantes qui suggèrent que les acides nucléiques peuvent former des structures secondaires telles que la structure G-quadruplex (G4). Le G-quadruplex est formé par des interactions non canoniques de nucléobases au sein de séquences d'ADN et d'ARN riches en G. Ces structures, formées dans des régions régulatrices clés des génomes et des transcriptomes, sont impliquées dans de nombreux processus biologiques mais aussi au sein de mécanismes moléculaires de plusieurs pathologies. Afin d'identifier des sondes moléculaires et des candidats médicaments capables de lier spécifiquement de telles structures, nous avons construit des librairies combinatoires de ligands potentiels des structures G4. Ces librairies sont assemblées à partir d'éléments de reconnaissance des structures G4 tels que des noyaux hydrophobes hétéroaromatiques, capables d'interagir avec des tétrades externes, des polypeptides chargés positivement et/ou hydrophobes, capables de former une interaction supplémentaire avec des sillons et/ou des boucles chargées négativement, et un troisième groupe de différenciation composé de divers motifs moléculaires. Les librairies ont été soumises à des procédures de sélection in vitro par affinité contre plusieurs cibles G4 pour isoler les ligands les plus spécifiques. Afin d'identifier les composés sélectionnés et d'obtenir des données de RSA, nous utilisons une technologie d’encodage permettant d’encoder chaque ligand potentiel avec sa séquence d'ADN unique (DECL). Grâce à cette approche, nous avons identifié des composés prometteurs et des modèles de liaisons en utilisant le séquençage à haut débit. Les composés les plus prometteurs ont été resynthétisés et leurs propriétés de liaison ont été caractérisées par des approches biophysiques. Au cours de ce travail, nous avons trouvé des ligands de G4 très affins validant ainsi pleinement l'utilisation de la technologie DEL pour l’identification de ligands spécifiques de G4.

Beyond the canonical duplex, there are now compelling evidences that suggest that nucleic acids can form secondary structures such as G-quadruplex (G4). G4 can arise through non-canonical nucleobase interactions within G-rich DNA and RNA sequences. Those structures, formed in key regulatory regions of genomes and transcriptomes, are involved in many biological processes but also in the molecular mechanisms of several diseases. In order to identify molecular probes and drug candidates capable of specifically binding such structures, we have built combinatorial libraries of potentials ligands of G4 structures. Those libraries are assembled from recognition elements of G4 nucleic acids such as heteroaromatic hydrophobic cores, able to act with external G-quartets, positively charged and/or hydrophobic polypeptides, able to form additional interaction with negatively charged grooves and/or loops, and a third differentiation group composed of various molecular patterns. The libraries were subjected to affinity-based in vitro selection procedures against several G4 targets to isolate the most specific ligands. In order to identify the selected compounds and obtain SAR data, we are making use of an encoding technology to barcode each potential ligands with its unique DNA sequence (DECL). Thanks to this approach we have identified promising compounds and binding patterns using high-throughput sequencing. The most promising compounds were re-synthesized and their binding properties were characterized by biophysical approaches. In the course of this work, we found highly potent G4 ligands fully validating the use of DEL technology to identify G4-specific binders.