Conception de ligands glycomimétiques ciblant le domaine N-terminal de la lectine BC2L-C

Sructure-based design of glycomimetic ligands for the N-terminal domain of BC2L-C lectin

• Auteur / Autrice : Kanhaya Lal
• Direction : Anne Imberty, Anna Bernardi, Laura Belvisi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie biologie
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Università degli studi (Milan, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches sur les macromolécules végétales (Grenoble ; 1966-....) - Università degli studi (Milan, Italie)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Py
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Imberty, Paola Conti, Marko Anderluh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elisa Fadda, Sonsoles Martín-Santamaría

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antagonisme médicamenteux

Mots clés libres

Antagonistes

Conception du médicament

Modélisation moléculaire

Drug design

Molecular modeling

Antagonist

Résumé

La prévalence des infections résistantes aux médicaments a remis en question l'utilisation des traitements existants à base d'antibiotiques. Il est nécessaire de découvrir et d'utiliser des thérapies alternatives et complémentaires pour lutter contre ces infections mortelles. Au cours des dernières décennies, l'utilisation de molécules anti-adhésion ciblant les facteurs de virulence tels que les lectines s'est avérée une approche attrayante pour lutter contre les infections en désarmant les agents pathogènes. Ceci a été réalisé par le développement d'inhibiteurs glycomimétiques de diverses cibles lectines. Dans le cadre du consortium PhD4GlycoDrug, ce travail de thèse visait à concevoir des antagonistes glycomimétiques du domaine N-terminal de la lectine BC2L-C (BC2L-C-nt) de Burkholderia cenocepacia, un agent pathogène résistant aux antibiotiques . Pour atteindre les objectifs, ce projet a utilisé une approche basée sur les fragments pour concevoir des antagonistes glycomimétiques de la protéine cible (BC2L-C-nt). Cette approche de la conception de médicaments basée sur la structure implique l'application de méthodes computationnelles et expérimentales pour atteindre les objectifs de la recherche. Les études initiales ont été axées sur la prédiction du site de liaison et l'évaluation de la cible par des outils informatiques qui ont permis d'identifier des régions supplémentaires pouvant être ciblées par des médicaments près du site de liaison des fucosides dans la lectine (BC2L-C-nt). Ces régions supplémentaires ont été explorées plus avant par criblage virtuel d'une petite bibliothèque de fragments à proximité du site de liaison au fucose. Cela a permis d'identifier une région intéressante (région "X") qui pourrait accueillir un fragmenten établissant certaines interactions clés dans le site. Les interactions des fragments avec la lectine ont été confirmées à l'aide d'un ensemble de techniques biophysiques, notamment la cristallographie aux rayons X. De façon remarquable, le mode de liaison de l'un des fragments (KL3) a été validé par cristallographie aux rayons X à haute résolution, confirmant la capacité du site X à accueillir des fragments. Les études computationnelles ont également permis d'identifier des liaisons appropriées qui pourraient être utilisés pour connecter chimiquement les fragments au noyau de fucose afin d'obtenir des ligands glycomimétiques bifonctionnels de haute affinité. En outre, les études de simulation MD de certains des glycomimétiques ont indiqué qu'ils établissent des interactions stables dans la région X, reproduisant ainsi les résultats en accord avec les études de docking. D'autres études impliquant la synthèse de glycomimétiques et l'évaluation de leur liaison à la cible ont été réalisées en collaboration avec un autre collègue (Rafael Bermeo) du réseau Phd4GlycoDrug. Il est intéressant de noter que les complexes cristallins de BC2L-C-nt avec trois ligands glycomimétiques bifonctionnels (fragments de connexion conçus et noyau de fucose) ont à nouveau confirmé le caractère de cible intéressante du site identifié, validant ainsi les prédictions computationnelles. Ainsi, la première génération de ligands glycomimétiques avec des affinités de liaison dans la gamme micromolaire a été conçue avec succès. Les objectifs du projet dans le cadre du PhD4GlycoDrug-Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network (MSCA ITN) ont été atteints avec succès. Les ligands glycomimétiques de première génération offrent de nouvelles possibilités de concevoir des ligands glycomimétiques de haute affinité. De futures études basées sur des approches structurales et des voies de synthèse robustes pour synthétiser les glycomimétiques peuvent conduire aux ligands de haute affinité comme agents anti-adhésifs contre B. cenocepacia. En outre, il sera intéressant de tester les molécules synthétisées dans des tests fonctionnels tels que la formation de biofilms, l'adhésion cellulaire et l'hémagglutination.

The prevalence of drug-resistant infections has challenged the existing treatment regimen using antibiotics. There is a need to discover and employ alternative and complementary therapies to counteract these life threatening infections. In fast few decades, the use of anti-adhesion molecules targeting virulence factors such as lectins has been proven an attractive approach to counteract the infections by disarming the pathogens. This has been achieved by the development of glycomimetic inhibitors of various lectin targets. Within the scope of the PhD4GlycoDrug consortium, this thesis work aimed to design glycomimetic antagonists of the N-terminal domain of the BC2L-C lectin (BC2L-C-nt) from the drug-resistant pathogen Burkholderia cenocepacia. To achieve the objectives, this project employed a fragment-based approach to design glycomimetic antagonists of the target protein (BC2L-C-nt). This approach under the structure-based drug design involved the application of the computational and experimental methods to achieve the objectives of the research. The initial studies were focused towards the binding site prediction and target evaluation by computational tools which identified additional druggable regions near the fucoside binding site in the lectin (BC2L-C-nt). These additional regions have been explored further to evaluate the druggability by employing virtual screening of a small fragment library in the vicinity of the fucose-binding site. This identified an interesting region (region ‘X’) that could host the drug-like fragment by establishing some key interactions in the site. The interactions of the fragments with the lectin have been confirmed using a group of biophysical techniques, including X-ray crystallography. Remarkably, the binding mode of one of the fragment (KL3) has been validated by X-ray crystallography at high resolution confirming the ability of site X to host drug-like fragments. The computational studies also identified suitable linkers that could be used to chemically connect the fragments to the fucose core to obtain high-affinity bifunctional glycomimetic ligands. In addition, the MD simulation studies of some of the glycomimetics indicated that they establish stable interactions in the region X, thus reproducing the results in agreement with the docking studies. Further studies involving glycomimetic synthesis and evaluation of their binding to the target were performed in collaboration with another colleague (Rafael Bermeo) in the Phd4GlycoDrug network. Interestingly, the crystal complexes of BC2L-C-nt with three bifunctional glycomimetic ligands (designed connecting fragments and fucose core) again confirmed the druggability of the identified site, thus also validated the computational predictions. Hence, the first generation of glycomimetic ligands with binding affinities in micromolar range have been successfully designed. The planned objectives of the project under the framework of the PhD4GlycoDrug-Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network (MSCA ITN) have successfully completed. The first generation glycomimetic ligands provide further opportunities to design high-affinity glycomimetic ligands. Future studies based on structure-based approaches and robust synthetic routes to synthesize glycomimetics can lead towards the high-affinity ligands as anti-adhesive agents against B. cenocepacia. Further, it will be interesting to test the synthesized molecules in functional assays such as biofilm formation, cell-adhesion and hemagglutination.