Mécanisme moléculaire de l'inhibition de l'intégrase du VIH-1 par le raltégravir proposé par l'utilisation d'approches de modélisation moléculaire

Molecular mechanism of HIV-1 integrase inhibition by Raltegravir proposed by using of molecular modeling approaches

• Auteur / Autrice : Rohit Arora
• Direction : Luba Tchertanov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 26/10/2012
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Cuniasse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Liliane Mouawad
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Cuniasse, Florent Barbault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Raltégravir

Inhibiteurs de l'intégrase du VIH

Mots clés libres

VIH

Intégrase

Résitance

HIV

Integrase

Resistance

Résumé

L'intégrase (IN) rétrovirale est responsable de l’intégration de l'ADN viral du VIH-1dans l’ADN cellulaire, processus indispensable à la réplication virale. Ce processus se déroule en deux étapes indépendantes, le 3’-processing et le transfert de brins, catalysées par l’IN. La compréhension des interactions entre l’IN et l’ADN viral et de la cinétique de formation des complexes pré-intégratifs a permis l’identification du raltégravir (RAL) et de l’elvitégravir (ELV) qui se sont avérés être des inhibiteurs très efficaces de la réplication virale. Le RAL, auparavant désigné sous le code MK-0518, est un nouveau médicament anti-VIH qui a obtenu son autorisation de commercialisation aux Etats-Unis sous le nom de IsentressTM le 12 octobre 2007. Le ELV est toujours en essais cliniques. Toutefois, comme on l'observe pour d'autres antirétroviraux, ces composés n’échappent cependant pas aux phénomènes de résistance. Des mutations de résistance spécifiques au RAL ont ainsi été identifiées chez des patients. À ce jour, aucune donnée expérimentale caractérisant la structure de l’IN du VIH-1, la structure au RAL et/ou les interactions du RAL avec sa cible n'a été rapporté.Premièrement, nous avons caractérisé les propriétés structurales et conformationnelles du RAL dans des états différents, en phase gazeuse, en solution dans l'eau et à l'état solide. Une etude détaillée a permis de caracteriser la reconnaissance du RAL par des cibles virals, l’IN et l’ADN viral avant et après la réaction de 3’-processing. Nous avons trouvé que le RAL adopte un large spectre de conformations et configurations dans des états isolés et/ou liés avec le(s) cible(s). Les meilleures score et poses de docking confirment que le modèle représentant le complexe IN•vADN est la cible biologiquement pertinente du RAL. Ce résultat est cohérent avec le mécanisme d'inhibition du RAL communément admise. Nous avons suggéré que le processus d'inhibition peut comprendre dans un premier temps la reconnaissance du RAL par l'ADN viral clivé et lié à un état intermédiaire de l’IN. Le RAL couplé à l’ADN viral montre une orientation à l'extérieur de tous les atomes d'oxygène, d'excellents agents putatifs pour capturer de cations Mg2+, ce qui pourrait faciliter l'insertion du RAL dans le site actif. La flexibilité conformationnelle du RAL permet l'adaptation de l'inhibiteur dans une poche relativement grande de du complexe IN•vADN, permettant la production de diverses conformations du RAL. Nous croyons que cette diversité des conformations du RAL contribue à la reconnaissance de résidus enzymatiques et peut influer sur le choix des voies alternatives de résistance au RAL observées cliniquement.Nous avons étudié également la reconnaissance par l’IN des inhibiteurs du VIH appartenant à différents souches, B et CRF02_AG. Nous avons montré que la structure de l’IN des deux souches est quasi-identique. Le docking du RAL et de deux autres inhibiteurs de transfert de brins (ELV et L731_988) sur chaque modèle montre que leur reconnaissance par deux différentes souches cibles est identique.Notre analyse des effets moléculaires et structuraux des mutations de résistance sur la structure de l’IN a montré que les structures de l’enzyme sauvage et mutante sont aussi quasiidentique.Par contre, les mutations modifient considérablement la spécificité de reconnaissance de l'ADN par l'IN.Nous avons effectué la simulation de dynamique moléculaire (MD) de l’IN sauvage et mutant, avec une mutation ponctuelle R228A localisée dans le domaine C-terminale. Notre étude de la flexibilité de l’IN et du complexe IN•ADN par la dynamique moléculaire ouvre une voie très prometteuse non seulement sur le plan de la recherche fondamentale mais aussi pour l'application de nos concepts au développement de nouvelles générations d'inhibiteurs ciblant l'IN.

The HIV-1 integrase catalyzes the integration of HIV-1 viral DNA (vDNA) into the host cell chromosome in a process, which is essential for viral replication through two independent reactions, 3’-processing (3’-P) and strand transfer (ST), catalyzed by IN. Deciphering the structural determinants of the interaction between integrase and its substrates and the kinetics of this interaction sheds light on the importance of inhibitors targeting the pre-integration IN•vDNA complex. This approach led to the identification of raltegravir (RAL) and elvitegravir (ELV), which turned out to be highly efficient inhibitors of ST. RAL, formerly known under the code MK-0518, is a new anti-HIV drug that obtained clinical approval in the United States under the name IsentressTM on October 12, 2007. ELV is still in clinical trials. However, these compounds nevertheless encounter resistance phenomenon. To date, no experimental data characterizing the RAL structure, structure of the HIV-1 IN and/or interactions of RAL with its targets, has been reported.First, we characterized the structural and conformational properties of RAL in different states ‒ the gas phase, in water solution and the solid state. Second, a detailed study allowed characterisation the RAL recognition by the viral targets ‒ IN and the vDNA, before and after the 3'-P. We found that RAL shows a broad spectrum of conformations and configurations in isolated state and/or associated with the target(s). The best docking poses and scores confirmed that the model representing IN•vDNA complex is a biologically relevant target of RAL. This result is consistent with the commonly accepted mechanism of RAL inhibition.Based on the docking results we suggested that the inhibition process may include, as a first step, the RAL recognition by the processed vDNA bound to a transient intermediate IN state. RAL coupled to vDNA shows an outside orientation of all oxygen atoms, excellent putative chelating agents of Mg2+ cations, which could facilitate the insertion of RAL into the active site. The conformational flexibility of RAL further allows the accommodation/adaptation of the inhibitor in a relatively large binding pocket of IN•vDNA pre-integration complex thus producing various RAL conformation. We believe that such variety of the RAL conformations contributing alternatively to the enzyme residue recognition may impact the selection of the clinically observed alternative resistance pathways to the drug.We also studied the recognition of the HIV-1 IN inhibitors from two different strains, B and CRF02_AG. Our in silico study showed that the sequence variations between CRF02_AG and B strains did not lead to any notable difference in the structural features of the enzyme and did not impact the susceptibility to the IN inhibitors. Our analysis of the resistance mutations effects showed that structure of the wild-type enzyme and mutants is almost identical. However, the resistance mutations significantly altered the specificity of the viral DNA recognition by IN.We performed molecular dynamics simulations of the native and mutated IN with a point mutation R228A localized in the C-terminal domain. The study of targets flexibility opens a very promising way, not only in terms of fundamental research, but also for the application of our concepts to the development of new generations of inhibitors targeting IN.