Sance thmatique

"LES MEDICAMENTS MODULATEURS DES INTERACTIONS PROTEINE-PROTEINE. UNE NOUVELLE APPROCHE ?"

EXPOSS

Prsentation du sujet : modulation des interactions protine-protine ou IPP , Christiane GARBAY

Modulation des interactions protine-protine grce au design in silico de petites molcules. Concept gnral et avances rcentes , Maria A. MITEVA

Conception rationnelle dinhibiteurs dinteraction inter-protines dans un but thrapeutique : exemples de peptides, peptido-mimtiques, foldamres , Gilles GUICHARD

Les interactions protine-protine comme nouvelles cibles thrapeutiques : application en oncologie , Anne-Sophie VOISIN-CHIRET

Des molcules multi-actions pour traiter des pathologies neuro-dgnratives multi-factorielles : ex la maladie dAlzheimer , Patricia MELNYK

  

« Les médicaments modulateurs des interactions protéine-protéine. Une nouvelle approche ? »

Séance thématique 

Mercredi 30 septembre 2020

 

Ouverture de la séance par Patrick Couvreur, Président de l’Académie nationale de Pharmacie

« Présentation du sujet : modulation des interactions protéine-protéine ou IPP » (25 min)

Christiane Garbay, Professeure Émérite Université de Paris, Présidente honoraire 2019 de l’Académie nationale de Pharmacie

La modulation des interactions inter-protéines (IPP) constitue un axe innovant et prometteur dans le cadre des thérapies ciblées. En effet, les messages inter et intracellulaires qui peuvent être dérégulés dans des pathologies comme les cancers ou les syndromes neurodégénératifs par exemple, se transmettent fréquemment par ce type d’interactions entre protéines.

À ce jour, pour moduler les interactions entre protéines, nous disposons de techniques donnant des informations au niveau moléculaire et même atomique. L’approche la plus simple consiste donc à rechercher des molécules capables d’entrer en compétition avec l’interface généralement large du complexe IPP. Ces molécules peuvent être de natures diverses, comme des anticorps, des protéines de synthèse, ou des petites molécules. Les résultats obtenus avec les anticorps monoclonaux ont montré leur puissance dans ce domaine mais ils ont néanmoins outre leur coût, l’inconvénient de se limiter à des cibles extracellulaires.

On sait maintenant que des petites molécules de poids moléculaire < 500 Da peuvent atteindre et moduler des cibles inter- comme intracellulaires. Les petites molécules ont également l’avantage d’être compatibles avec une administration par voie orale, mais elles sont plus difficiles à concevoir et on distingue deux grandes approches : les approches dites « rationnelles » et les approches dites « à haut débit » :

  • les approches rationnelles s’appuient sur les éléments structuraux 3D connus au niveau atomique du complexe pour concevoir des mimes compétiteurs ;
  • les approches à haut débit consistent à tester par des cribles un grand nombre de molécules déjà existantes. Elles nécessitent la mise en place de tests biologiques fiables à haut débit et sont le plus souvent assistées par la modélisation moléculaire, avec un crible in silico.

Quelques avancées scientifiques ayant permis de concevoir des modulateurs des interactions entre protéines seront rappelés et plusieurs exemples seront décrits au cours de cette séance.

« Modulation des interactions protéine-protéine grâce au design in silico de petites molécules. Concept général et avancées récentes » (25 min +5 Q/R)

Maria A. Miteva, DR Inserm, Inserm U1268 « Chimie Médicinale et Recherche Translationnelle », CiTCoM CNRS UMR 8038. Université de Paris

Vidéo brève

Cibler les interactions protéine-protéine (IPP) par de petites molécules organiques est une approche originale pour moduler des interactions protéiques impliquées dans différentes pathologies.

La conception de médicaments rationnelle in silico et le criblage virtuel basé sur les structures des protéines sont très utiles afin de découvrir des molécules ciblant les interfaces d'interaction protéine-protéine. Des approches in silico permettant de moduler efficacement les interactions protéine-protéine par de petites molécules seront présentées. Parmi ces méthodologies, la considération de la flexibilité des protéines ou bien la génération de chimiothèques spécifiques dédiés à inhiber les interactions protéine-protéine sont particulièrement originales.

Nous présenterons deux chimiothèques dédiées au criblage IPP: une chimiothèque virtuelle iPPI-lib disponible sur le serveur web MTiOpenScreen et une collection de composés chimiques Fr-PPIChem disponible en France pour le criblage expérimental. Deux exemples des applications réussies du criblage in silico pour découvrir des inhibiteurs de IPP ciblant l'angiogenèse seront discutés. Nous présenterons la neuropiline-1 (NRP-1) et le récepteur du facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGFR-1), deux récepteurs du facteur de croissance endothélial vasculaire-A (VEGF-A), augmentant ainsi son action angiogénique dans plusieurs maladies chroniques, y compris le cancer.

Targeting protein-protein interactions by small organic molecules is an original approach to modulate protein targets involved in different pathologies.

In silico drug design and structure-based virtual screening can be successfully used to discover hit/lead molecules binding protein-protein interaction (PPI) interfaces. Here, in silico approaches allowing to efficiently modulate protein-protein interactions by small molecules will be presented. Among such methodologies, considering protein flexibility or generating specific chemical compound libraries dedicated to inhibit protein-protein interactions are particularly valuable.

We will focus on two chemical libraries dedicated to screen PPI: a virtual library iPPI-lib available at the web server MTiOpenScreen and a chemical compound collection Fr-PPIChem available in France for experimental screening. Two examples for successful application of in silico screening to discover inhibitors of PPI targeting angiogenesis will be discussed. We will focus on neuropilin-1 (NRP-1) and the vascular endothelial growth factor receptor (VEGFR-1), two important co-receptors of vascular endothelial growth factor-A (VEGF-A), increasing thus its angiogenic action in several chronic diseases including cancer.

« Conception rationnelle d’inhibiteurs d’interaction inter-protéines dans un but thérapeutique : exemples de peptides, peptido-mimétiques, foldamères » (25 min +5 Q/R)

Gilles Guichard, Peptidomimetic chemistry DR1 CNRS, Bordeaux

Video brève 

Bien que le domaine des modulateurs d’interactions protéine-protéine (IPP) connaisse des progrès spectaculaires, la conception de molécules synthétiques visant à interférer avec les IPP reste particulièrement difficile en partie parce que les interfaces protéine-protéine sont exceptionnellement diverses par leurs tailles et leurs formes. Des molécules de taille moyenne comme les α-peptides représentent des candidats intéressants pour mimer ces interfaces, développer de nouveaux outils pharmacologiques et contribuer à combler l'écart entre petites molécules et « biologics ». Si les peptides présentent des avantages spécifiques comme par exemple, une diversité moléculaire et structurale élevée, des méthodes de synthèse efficaces et des propriétés remarquables en termes d’interactions moléculaires qui en font des molécules centrales pour la découverte de médicaments, ils ont aussi besoin d’être optimisés en raison de limitations intrinsèques (demi-vie faible dans les fluides biologiques et une mauvaise perméabilité membranaire). Cela a incité les chimistes à développer des approches innovantes parmi lesquelles les peptides contraints connaissent un essor important avec plusieurs médicaments candidats à différents stades d’essais cliniques. Dans mon groupe, nous combinons une approche basée sur la conception guidée par la structure et la chimie peptidomimétique pour contrôler les conformations des molécules et développer des modulateurs d’IPP plus efficaces pour des applications dans des différents domaines thérapeutiques (cancer, antibactériens). Plusieurs stratégies sont développées, de l’introduction d'acides aminés non naturels, à de nouvelles techniques de macrocylisation et de modification du squelette peptidique comme les foldamères.[1] Récemment, nous avons montré pour plusieurs cibles protéiques d'intérêt thérapeutique, que des séquences de foldamères mimant l’hélice-α peuvent être conçues de manière rationnelle pour reconnaître des surfaces protéiques spécifiques avec une affinité élevée. Cette nouvelle approche semble suffisamment polyvalente pour être combinée avec d'autres méthodes connues de stabilisation des peptides afin d'augmenter encore leur durée de vie dans les fluides biologiques et leur efficacité.

[1] Pasco M, Dolain C, & Guichard G (2017) Foldamers in Medicinal Chemistry. Comprehensive Supramolecular Chemistry II, ed Atwood JL (Elsevier, Oxford), pp 89-125.

Although the field of inhibitors/modulators of protein-protein interactions (PPI) has witnessed spectacular progress, the design of synthetic molecules aimed at interfering with PPIs has remained exceptionally challenging in part because protein–protein interfaces are highly diverse in terms of sizes and shapes. Medium-size molecules such as α-peptides can be used to mimic the secondary structural elements at larger protein–protein interfaces (so-called secondary-structural epitopes) and thus may contribute to fill the gap between small molecules and biologics for the development of novel classes of PPI modulators. Although peptides are key molecules in modern drug discovery owing to some specific advantages (e.g. high molecular and structural diversity, effective synthesis methods, and relative ease of generating sequences with high affinity and selectivity for difficult biological targets), there is however, commonly a need for further optimizing standard peptides consisting of proteinogenic amino acids as they generally possess poorly defined conformation, short in vivo half-life and poor membrane permeability. This incited chemists to develop innovative approaches to address these challenges, among which constrained peptides have gained momentum with several drug candidates at different stages of clinical trials. In my group, we are focusing on structure-guided design and peptide mimicry to develop effective modulators of PPIs for various applications (cancer, antibacterials). Several strategies have been applied for that purpose, including non-natural amino acid replacements, new macrocylization techniques and backbone modifications (amide bond isosteres, foldamers).[1] In particular, we have shown recently for several protein targets of therapeutic interest, that foldamer sequences mimicking α-helical peptides can be rationally designed to recognize specific protein surfaces with high affinity. We expect this new approach to be versatile enough to be combined with other known peptide stabilization methods to further increase the stability in biological fluids and potency of bioactive helical peptides.

 « Les interactions protéine-protéine comme nouvelles cibles thérapeutiques : application en oncologie » (25 min +5 Q/R)

Anne-Sophie Voisin-Chiret, Faculté de Pharmacie. Université de Caen Normandie. Centre d'Études et de Recherche sur le Médicament de Normandie, CERMN, UPRES EA 4258 - FR CNRS 3038 INC3M - SF 4206 ICORE. Institut Carnot I2C

Vidéo brève 

Diapositives présentées

En oncologie, des réseaux complexes d’interaction protéine-protéine sont impliqués dans les processus d’apoptose et sont fondamentaux pour la régulation des points de contrôle de l’homéostasie cellulaire.

Dans les cellules de cancer colorectal, la protéine HSP110 (protéine de choc thermique) favorise la croissance tumorale en participant à l’activation de la protéine STAT3 (facteur de transcription), connue pour être un moteur essentiel de la prolifération des cellules cancéreuses. S’intéressant au domaine NBD (domaine de liaison au nucléotide) de l’interaction entre HSP110 et STAT3, une librairie de petites molécules de structure oligopyridine a été identifiée par criblage (AlphaScreen®) comme étant perturbateurs du complexe HSP110/STAT3 [Cell Death and Diff., 2019].

Surexprimée dans de nombreux cancers dont les cancers ovariens, la protéine XIAP (protéine inhibitrice de l’apoptose liée au chromosome X) contribue aux mécanismes de résistance à l’apoptose. L’interaction entre XIAP et SMAC (second activateur mitochondrial des caspases) met en jeu les domaines BIR2 et BIR3 (sur XIAP) et le tétrapeptide AVPI (Alanine-Valine-Proline-Isoleucine) de la partie N-terminale de SMAC. Il a été montré que des peptides mimant l’extrémité N-terminale de SMAC sont capables d’inhiber l’interaction XIAP-caspase, et de sensibiliser les cellules aux chimiothérapies anticancéreuses. A partir de données cristallographiques, la conception et la synthèse de petites molécules abiotiques, SMAC-mimétiques, ont été entreprises. Les premiers perturbateurs de l’interaction XIAP/SMAC ont été identifiés (anisotropie de fluorescence).

Dans les cellules de cancers ovariens, les protéines anti-apoptotiques Mcl-1 (cellules de leucémie myéloïde 1) et Bcl-xL (lymphome à cellules B extra-large) contribuent à la résistance aux traitements de chimiothérapie conventionnels. Le rapport entre le niveau des protéines pro- et anti-apoptotiques semble déterminer la sensibilité de la cellule à l'apoptose. L’interaction entre ces membres pro- et anti-apoptotiques se fait via un domaine hélicoïdal BH3 (domaine d’homologie). Mimer ce domaine hélicoïdal et inhiber les protéines anti-apoptotiques est l’approche entreprise pour la conception d’une librairie de petites molécules BH3-mimétiques, mimant la distribution des chaînes latérales d’une hélice alpha [J. Med. Chem. 2015, brevet 2015 WO2015132727A1 2015].

Ces trois exemples de conception rationnelle de petites molécules, perturbateurs d’interaction protéine-protéine intervenant dans la voie de régulation de l’apoptose seront détaillés ainsi que les méthodologies de synthèse. Les méthodes de détection permettant d’identifier les petites molécules comme perturbatrices d’interactions protéine-protéine seront présentées.

In oncology, complex protein-protein interaction networks are involved in apoptosis processes and are fundamental for the regulation of checkpoints in cell homeostasis.

In colorectal cancer cells, the HSP110 protein (heat shock protein) promotes tumor growth by participating in the activation of the STAT3 protein (transcription factor), known to be an essential driver of the proliferation of cancer cells. Interested in the NBD (nucleotide binding domain) of the interaction between HSP110 and STAT3, a library of small molecules of oligopyridine structure was identified by screening (AlphaScreen®) as being disruptors of the HSP110/STAT3 complex [Cell Death and Diff, 2019].

Overexpressed in many cancers including ovarian cancers, the XIAP protein (protein inhibitor of apoptosis linked to the X chromosome) contributes to the mechanisms of resistance to apoptosis. The interaction between XIAP and SMAC (second mitochondrial activator of caspases) brings into play the BIR2 and BIR3 domains (on XIAP) and the AVPI tetrapeptide (Alanine-Valine-Proline-Isoleucine) of the N-terminal part of SMAC. Peptides mimicking the N-terminal of SMAC have been shown to be able to inhibit the XIAP-caspase interaction and sensitize cells to cancer chemotherapy. Based on crystallographic data, the design and synthesis of small abiotic molecules, SMAC-mimetics, were undertaken. The first disruptors of the XIAP/SMAC interaction have been identified (fluorescence anisotropy).

In ovarian cancer cells, the Mcl-1 (myeloid cell leukemia 1) and Bcl-xL (B-cell lymphoma-extra large) anti-apoptotic proteins contribute to resistance to conventional chemotherapy treatments. The relationship between the levels of pro- and anti-apoptotic proteins seems to determine the sensitivity of the cell to apoptosis. The interaction between these pro- and anti-apoptotic members takes place via a helical BH3 domain (domain of homology). Mimicking this helical domain and inhibiting anti-apoptotic proteins is the approach undertaken for the design of a library of small BH3-mimetics, mimicking the distribution of the side chains of an alpha helix [J. Med. Chem. 2015, patent 2015 WO2015132727A1 2015].

These 3 examples of rational design of small molecules, disruptors of the protein-protein interaction intervening in the regulatory pathway of apoptosis will be detailed as well as the synthesis methodologies. Detection methods to identify small molecules as disruptors of protein-protein interactions will be presented.

 « Des molécules multi-actions pour traiter des pathologies neuro-dégénératives multi-factorielles : ex la maladie d’Alzheimer » (25 min +5 Q/R)

Patricia Melnyk, Faculté de Pharmacie - Université Lille. Responsable de l’équipe "Brain Biology & Chemistry", INSERM U1172, Lille Neuroscience & Cognition

Vidéo brève

Diapositives présentées

Parmi les Parmi les maladies neurodégénératives, la maladie d’Alzheimer (MA) est la plus fréquente chez les adultes âgés de plus de 65 ans et elle est rencontrée dans 60 à 80 % des cas. Malgré tous les efforts de recherche et le nombre croissant des essais thérapeutiques, les traitements actuels demeurent symptomatiques et les bénéfices thérapeutiques relativement modestes. La MA est une démence lente et progressive qui combine deux mécanismes pathophysiologiques : la pathologie amyloïde et la tauopathie. La MA est aussi caractérisée par un déficit en acétylcholine, l’un des neurotransmetteur clé de la mémoire, une forte neuro-inflammation et une mort neuronale.

La plupart des efforts thérapeutiques se sont focalisés sur l’un ou l’autre des deux mécanismes pathophysiologiques avec l’espoir d’un retentissement indirect de l’effet d’une molécule sur l’un et l’autre des mécanismes. Cependant, les médicaments actuellement disponibles n’ont pas d’effet avéré sur les mécanismes et aucun traitement préventif ni curatif de la MA n’est disponible pour l’heure. Idéalement, des composés multicibles qui modifieraient simultanément le métabolisme de l’APP et l’hyperphosphorylation de Tau présenteraient un double intérêt pour soigner la MA1. Ces dernières années, notre équipe, en collaboration avec celle des Drs Nicolas Sergeant et Luc Buée, a breveté plusieurs familles de molécules présentant certaines de ces propriétés. L’un de ces composés, AZP2006, est en phase clinique II, gérée par AlzProtect, une start-up issue de nos laboratoires2,3. Nous avons aussi récemment couplé la structure active de l’AZP2006 à un inhibiteur de l’acétylcholine estérase et obtenu une molécule triple-action prometteuse. La conception de ces composés et leurs principaux résultats seront présentés4,5.

Among neurodegenerative diseases, Alzheimer's disease (AD) is most common in adults over the age of 65 and occurs in 60 to 80% of cases. Despite all the research efforts and the increasing number of therapeutic trials, current treatments remain symptomatic and the therapeutic benefits relatively modest. AD is a slow and progressive dementia that combines two pathophysiological mechanisms: amyloid pathology and tauopathy. AD is also characterized by a deficiency of acetylcholine, one of the key neurotransmitters of memory, strong neuroinflammation and neuronal death. Most therapeutic efforts have focused on one or the other of the two pathophysiological mechanisms with the hope of an indirect repercussion of the effect of a molecule on one and the other of the mechanisms. However, currently available drugs have no proven effect on the mechanisms and no preventive or curative treatment for AD is currently available. Ideally, multi-target compounds that simultaneously modify APP metabolism and Tau hyperphosphorylation would be of dual benefit in treating AD1. In recent years, our team, in collaboration with that of Drs Nicolas Sergeant and Luc Buée, has patented several families of molecules with some of these properties. One of these compounds, AZP2006, is in clinical phase II, managed by AlzProtect, a start-up from our laboratories2,3. We also recently coupled the active structure of AZP2006 to an acetylcholine esterase inhibitor and obtained a promising triple-action molecule. The design of these compounds and their main results will be presented4,5.

Références :

1. Mangialasche F, et al. Alzheimer's disease: clinical trials and drug development. Lancet Neurol, 2010, 9, 702-716.

2. Melnyk P, Sergeant N, Buée L, Delacourte A. Use of 1,4-bis(3-aminopropyl) piperazine derivatives in therapy. WO 2006 051489.

3. Melnyk P, et al. Chloroquine and chloroquine related compounds as a model for the design of anti-Alzheimer compounds. ACS Chem Neurosci, 2015, 6, 559-569.

4. Melnyk P, LeFur N, Gay M, Sergeant N, Buée L. Novel 1,4-bis(3-aminopropyl)piperazine derivative and its use. EP 15305384.8.

5. Sergeant N, et al. New piperazine multi-action drugs prevent neurofibrillary degeneration and amyloid deposition, and preserve memory in animal models of Alzheimer’s disease. Neurobiol Dis, 2019, S0969-9961, 30327-9.8.

6. Sergeant N, et al. New piperazine multi-action drugs prevent neurofibrillary degeneration and amyloid deposition, and preserve memory in animal models of Alzheimer’s disease. Neurobiol Dis, 2019, S0969-9961, 30327-9