Découverte et caractérisation pharmacologique de nouveaux antagonistes du récepteur smoothened : les composés mrt

Discovery and pharmacological characterization of novel potent smoothened antagonists : the mrt compounds

• Auteur / Autrice : Hermine Roudaut
• Direction : Martial Ruat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 03/11/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Signalisations et réseaux intégratifs en biologie (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Neurobiologie Alfred Fessard
• Jury : Président / Présidente : Hervé Daniel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martial Ruat, Hervé Daniel, Laurent Prézeau, Isabelle Mus-Veteau, Gilles Vassal, Tania Attié-Bitach
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Prézeau, Isabelle Mus-Veteau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Récepteurs couplés aux protéines G

Transduction du signal cellulaire

Neuropharmacologie

Mots clés libres

Smoothened

Antagoniste

Modèle pharmacophorique

Site de liaison

Cil primaire

Smoothened

Antagonist

Pharmacophoric model

Binding site

Primary cilium

Résumé

La voie de signalisation Sonic Hedgehog (Shh) joue un rôle fondamental au cours de l’embryogenèse pour la mise en place de nombreux tissus. Elle persiste à l’âge adulte et régulerait notamment le contrôle de fonctions cérébrales. Son activation requiert la liaison d’un peptide Shh sur le récepteur Patched (Ptc) qui réprime l’activité constitutive de Smoothened (Smo), un récepteur apparenté à la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG). Récemment, des essais cliniques pour le traitement de médulloblastomes et de diverses tumeurs solides chez l’Homme ont été menés avec des antagonistes de Smo. Cependant, ces molécules ont révélé des limitations à leur utilisation puisque des résistances au traitement sont apparues. Le travail de cette thèse a conduit au développement d’un modèle pharmacophorique des antagonistes de Smo qui a ensuite permis le criblage virtuel d’une banque de molécules et l’identification de nouvelles familles d’antagonistes de Smo. L’acylthiourée MRT-10 et l’acylurée MRT-14 ont été les deux premiers composés caractérisés. Des études de relations structure-activité ont permis l’identification d’une nouvelle famille d’inhibiteurs du récepteur Smo de haute affinité à laquelle l’acylguanidine MRT-83 appartient. Ce composé s’adapte parfaitement au modèle pharmacophorique des antagonistes de Smo. Les modifications structurales que MRT-83 présentes en comparaison avec les deux têtes de séries précédemment caractérisées sont à l’origine du gain d’activité de MRT-83 sur de nombreux tests cellulaires mettant en jeu l’activation de la voie Shh. Le composé MRT-83 inhibe la liaison de la BODIPY-cyclopamine sur le récepteur Smo humain et bloque la prolifération des précurseurs des cellules granulaires de rat avec une affinité de l’ordre du nanomolaire, comparable à celle des antagonistes de référence de Smo tels que le GDC-0449 et le LDE-225. Malgré l’homologie de séquence entre Smo et la famille des récepteurs Frizzled impliqués dans la signalisation Wnt, le composé MRT-83 ne présente aucun effet sur la voie Wnt. MRT-83 bloque la translocation de Smo dans le cil primaire induite par l’activation de la voie Shh dans les cellules NT2, une lignée issue d’un tératocarcinome humain, contrairement à l’antagoniste de Smo de référence, la cyclopamine qui induit l’adressage du récepteur dans le cil primaire. L’injection stéréotaxique dans le ventricule latéral de cerveau de souris adulte de MRT-83, contrairement à celle d’un composé de structure analogue, dépourvu d’activité sur Smo, inhibe l’expression des transcrits de Ptc induite par l’injection de Shh dans la zone sous-ventriculaire, l’une des deux principales aires de neurogenèse adulte. Ces résultats démontrent que les dérivés MRT bloquent également la signalisation Shh in vivo. Ainsi, les composés MRT-10, MRT-14, MRT-83 et les molécules de structure analogues caractérisées sont de puissants antagonistes de Smo. Ces molécules constituent de nouveaux outils pharmacologiques qui pourraient permettre d’améliorer notre compréhension des mécanismes moléculaires et biochimiques régulant la signalisation Hh et permettre le développement de nouvelles molécules en clinique pour le traitement des tumeurs Hh-dépendantes.

The Sonic Hedgehog (Shh) signaling pathway is implicated in multiple physiological responses including the control of brain functions. In mammals, the Shh pathway is expressed at the primary cilium and its activation requires the binding of a Shh peptide to the Patched (Ptc) receptor which represses the constitutive activity of Smoothened (Smo), a proposed member of the G-protein-coupled receptor (GPCR) family. Recently, clinical trials for treating medulloblastoma and various solid tumors in human have been conducted with Smo antagonists such as GDC-0449 or LDE-225. Such molecules may have some limitations leading to treatment resistance. In the present work, the development of a pharmacophoric model of Smo antagonists allowed a virtual screening strategy to identify novel Smo inhibitors. The acylthiourea MRT-10 and the acylurea MRT-14 were the two first leads identified. Structure-activity relationship experiments led to the discovery of new series of Smo inhibitors with high potency and to which the acylguanidine MRT-83 belongs. This inhibitor perfectly fits with the proposed pharmacophoric model for Smo antagonists. The discrete structural differences between MRT-83 and the original leads may account for the increased potency of MRT-83 observed in various in vitro Shh-based assays. MRT-83 inhibits BODIPY-cyclopamine binding to human Smo and Shh-mediated proliferation of rat granule cell proliferation with nanomolar potency similar to GDC-0449 or LDE-225. Despite significant homology of Smo with the Frizzled family of receptors which are involved in the Wnt signaling pathway, MRT-83 displays no significant effect on this pathway. MRT-83 blocks Smo translocation induced by Shh pathway activation to the primary cilia of NT2 cells that derive from a pluripotent testicular carcinoma whereas cyclopamine, a reference Smo antagonist, induces Smo accumulation of Smo signals at the primary cilium. Therefore, it might be anticipated that MRT-83, like GDC-0449 and LDE-225, interacts with Smo in a manner different from that of cyclopamine, suggesting that while their binding sites are overlapping, they are not identical. Stereotaxic injection of MRT-83 into the lateral ventricle of adult mice but not of a structurally-related compound inactive at Smo, abolished upregulation of Ptc transcription induced by Shh in the neighboring subventricular zone, one of the two main neurogenic areas of the adult brain. These data demonstrate that MRT derivatives efficiently antagonize Shh signaling in vivo. Thus, MRT-10, MRT-14, MRT-83 and structurally-related molecules are potent Smo antagonists. These compounds should be useful for clarifying the molecular and biochemical mechanisms underlying the resistance of Smo inhibitors in brain cancer cells and may help develop new therapies against Shh pathway-related brain diseases.