università degli studi dell`insubria université paris-sud

CO-TUTORED PHD THESIS
PRESENTED BY:
LEILA VAHDATI
TITLE:
SYNTHESIS OF PEPTIDOMIMETICS CONTAINING BIFUNCTIONAL
DIKETOPIPERAZINE SCAFFOLDS AND THEIR EVALUATION AS
MODULATORS OF AMYLOID-PEPTIDE OLIGOMERIZATION
PHD SUPERVISORS:
PROFESSOR UMBERTO PIARULLI (UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DELL’INSUBRIA)
PROFESSOR SANDRINE ONGERI (UNIVERSITÈ PARIS-SUD)
Academic Year: 2013-2014
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DELL’INSUBRIA
Dipartimento di Scienza e alta tecnologia
Corso di dottorato in Scienze Chimiche, XXVII ciclo
UNIVERSITÉ PARIS-SUD
Faculté de Pharmacie

Les protéines sont la classe la plus importante de molécules organiques présentes dans les
cellules, ce qui composent 50% ou plus de leur poids sec. Ces macromolécules sont
responsables de la plupart des fonctions complexes qui rendent la vie possible, par exemple:
la catalyse enzymatique, transport et stockage, mouvement coordonné, soutien mécanique,
protection immunitaire, génération et transmission de l'impulsion nerveux, contrôle de la
croissance, et de différenciation. Malgré la différence de fonction, toutes les protéines sont
constitués de petits blocs de construction, à savoir les acides aminés qui sont reliés ensemble
de manière covalente par des liaisons amide pour former des chaînes polypeptidiques. La
diversité dans la structure, la fonction et les propriétés générales des protéines sont tous
déterminés par la séquence d'acides aminés qui composent sa séquence primaire linéaire.
Toutefois, la séquence linéaire d'acides aminés (structure primaire) ne suffit pas à expliquer
l'activité biologique des protéines. En fait, l'activité de la protéine peut être réalisée une fois
que la séquence primaire correcte se replie dans une conformation tridimensionnelle unique et
précise. La conformation repliée obtenue est la forme thermodynamiquement la plus stable.
Les structures des protéines peuvent être classées en quatre niveaux principaux: a) la structure
primaire; b) la structure secondaire (y compris -hélix et -feuilles plissées); c) la structure
tertiaire; d) la structure quaternaire.
Les interactions protéine-protéine, qui sont fondamentales pour de nombreuses fonctions
biologiques, se produisent souvent dans des régions de protéines, qui sont organisés dans des
éléments de structure secondaire comme des segments hélicoidaux, des feuillets ou des
épingles à cheveux . En conséquence, une approche pour moduler les interactions protéine-
protéine est de reproduire les segments en interaction et les utiliser comme antagonistes des
interactions. En principe, la meilleure approche serait d'utiliser des peptides courts biaisés, de
reproduire la conformation et les interactions correctes.
Le Peptide -brin est le plus simple élément peptide structurel, qui n’est normalement pas
trouvé dans des peptides isolés, mais au moins jumelé dans des structures d' hydrogène liés,
formant des feuillets  dans les protéines. L'association d'un -brin du ligand avec un brin ou
d'un feuillet dans le partenaire de liaison joue un rôle important dans les interactions
protéine-protéine (IPP) qui sont essentielles à presque tous les niveaux de l'organisation et de
la communication dans les cellules vivantes. L'approche la plus simple dans la conception de
mimétiques de -brin serait d'utiliser des peptides courts correspondant à des régions de
protéines brin/feuillet. Cependant, l'inconvénient d'utiliser des peptides courts est bien connu,
en raison de leur flexibilité conformationnelle et des profils pharmacologiques pauvres. Des

procédés pour augmenter la stabilité conformationnelle implique la limitation de la liberté du
peptide par incorporation de contraintes de conformation dans le squelette du peptide, ou à
travers différents types de cyclisations.1 Le remplacement de composants d'acides aminés
avec une grande variété de contraintes telles que des ponts disulfures, des doubles liaisons,
des N-méthyl amino-acides, des acides D-aminés et des cycles aromatiques ou
hétérocycliques, conduit à la préparation de peptidomimétiques conformationnellement et
métaboliquement stables ou mimétiques non peptidiques qui sont capables de mimer -brins.
Des motifs en épingle à cheveux dans les peptides et protéines naturelles disposent d'un
remarquable degré de diversité structurelle. La diversité peut se produire en raison de
variations dans la taille de la boucle, registre épingle à cheveux, occurrence des -renflements
dans les -brins, et bien sûr en raison de la variation de séquence. Au cours des 20 dernières
années, Nowick et ses collègues ont développé un travail conséquent dans le domaine des
mimétiques de feuillet . Leur premier document, publié en 1992, décrit un échafaudage
moléculaire de oligourée avec des liaison hydrogène intramoléculaires. Ce groupe a
également développé une série de modèles moléculaires basés sur l’acide 5-amino-2-
méthoxybenzoique, et ses dérivés hydrazide, d'imiter et de compléter la fonctionnalité de
liaison hydrogène de brins peptidiques et bloquer des liaison hydrogène. Le groupe 2-
méthoxy joue le double rôle de bloquer le groupe de donateurs H-bond et en fournissant
l'organisation par liaison hydrogène intramoléculaire au sein de ces ß-brins. En combinant
l'échafaudage moléculaire à base d'urée qui est un échafaudage rigide avec ces mimes de ß-
brin, une variété de feuillets ß artificiels ont été créés, qui se replient dans des structures bien
définies dans le chloroforme et d'autres solvants organiques non concurrentiels.2
Plus récemment, le groupe de Nowick a développé des blocs de construction contenant de
l'ornithine et la soi-disant “unité Hao” pour créer un fragment composite Orn (i-PrCO-Hao)
qui peut être incorporé dans des peptides pour induire un repliement et une dimérisation dans
les solvants organiques. L'acronyme “Hao” a été conçu pour tenir compte des trois
composants par lesquels elle est formée: hydrazine, l’acide 5-amino-2-méthoxybenzoique, et
l'acide oxalique. Récemment, sur la base de ces données obtenues, ce groupe a établi des
feuillets  macrocycliques composés de deux mimétiques ornithine -tour δ-liés, un
pentapeptidique dans le brin "supérieur", l'acide aminé Hao et deux acides -aminés dans le
brin "inférieur". Hao est un mime relativement rigide de -brin tripeptidiques qui sert en tant
que modèle pour le pliage du brin supérieur et bloque le brin inférieur pour réduire au
minimum l'agrégation bord-à-bord. Ils ont décrit ce macrocycle 1 comme l'un des meilleurs

inhibiteurs synthétisés dans leurs laboratoires (Figure 1) qui supprime l'agrégation de peptide
dérivé de la protéine tau AcPHF6 à 1,0 équiv.3 La surface hydrophobe créé par les valine,
isoleucine, et les résidus de leucine aux positions R1, R3, et R7 sur ce macrocycle est
nécessaire pour l'inhibition.
Figure 1. La structure générique de peptide macrocyclique
Leur étude démontre que les surfaces hydrophobes entre les couches de feuillet  sont
importantes dans l'inhibition de l'agrégation amyloide. Ils suggèrent que ce principe est
applicable à de plus grandes protéines amyloides telles que la protéine tau entière ou des
peptides -amyloides . Ils ont également montré la bonne activité inhibitrice de ces feuillets 
dans l'agrégation de la protéine amyloide dans la maladie d'Alzheimer.4
La formation de peptides et de protéines agrégats par l'interaction de feuillets a de plus en
plus attiré l'attention car il se produit dans de nombreuses maladies humaines généralisées,
telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA), la maladie d'Alzheimer (AD), la maladie
de Parkinson (PD), les maladies à prions et la maladie de Huntington (HD). Beaucoup de
maladies d'agrégation de protéines affectent le système nerveux; parmi celle-ci l'une des plus
difficile est AD. La maladie d'Alzheimer est la forme la plus courante de démence qui
provoque la perte de la mémoire chez les personnes âgées. En 2013, il y avait 35 millions de
personnes souffrant de AD à travers le monde, un chiffre qui devrait doubler d'ici 2050.5 Les
caractéristiques neuropathologiques de cette maladie sont la perte neuronale dans des régions
liées à la mémoire, un appauvrissement en neurotransmetteur et l'altération synaptique qui se
trouvent dans les cerveaux des patients atteints de AD. Au cours des deux dernières
décennies, le rôle de l'agrégation des protéines dans les maladies neurodégénératives a été
largement étudiée, ce qui suggère que le mauvais repliement des protéines et l'agrégation sont
une des principales causes du dysfonction neuronal et de la mort dans ces types de maladies.6
Microscopiquement, les résultats les plus courantes sont dépôts de protéines, dont les plaques
neuritiques séniles (PNS) et les dégénérescences neurofibrillaires (DNF). L'accumulation
extracellulaire d'agrégats insolubles de la protéine β-amyloide (A) conduit à la formation de

plaques séniles, alors que NFT sont intracellulaires et sont composés de filaments hélicoidaux
appariés de la protéine tau hyperphosphorylée. Les fibres amyloides sont auto-assemblées, ce
sont des protéines filamenteuses ou des agrégats peptidiques avec des structures moléculaires
β-croisées, ce qui signifie qu'ils sont riches en feuillets β, dans lesquels les β-brins sont
approximativement perpendiculaires à l'axe des fibrilles longues et les liaisons entre brins
d'hydrogène s’étendent parallèlement à l'axe des fibrilles. L’architecture β-croisée fournit une
très grande stabilité aux fibrilles, car il permet la formation d'un réseau continu de liaisons
hydrogène.7 Les peptides A (39-43 acides aminés de longueur) sont dérivés du clivage
protéolytique de la protéine précurseur amyloide (PPA) par des enzymes appelées sécrétases.
Comme la conversion de protéines de leurs états solubles à la forme amyloide implique la
formation de contacts intermoléculaires, la stabilité thermodynamique de l'état amyloide est
plus favorisée à des concentrations plus élevées.8 Les espèces produites principalement sont
A40. Des traces de A42 sont également formées dans un rapport d'environ 99 à 1. A42 a
une propension élevée de β-brin et ainsi une plus grande tendance à s’agréger et est donc plus
toxique pour les neurones que A40. La séquence de A (1-42) contient six résidus chargés
négativement (D1, E3, D7, E11, E22, D23) et trois résidus chargés positivement (R5, K16,
K28), donnant une charge nette de -3. Les trois résidus His (H6, H13, H14) ont un PKa proche
du pH physiologique. Il existe une importance particulière pour la région hydrophobe
flanquée par des résidus positivement et négativement chargées, à savoir KLVFFAE (A 16-
23), et à la position de K28 (Figure 2).
Figure 2. Amyloid β peptide (1-42)
Les peptides A sont produits en tant que monomères solubles et subissent l'oligomérisation
et la formation de fibrilles amyloides via un processus peu élucidé. Plusieurs études ont
proposé que A monomère en solution existe dans un équilibre entre une conformation α-
hélicoidale et en feuillet β et à partir de ce mélange seulement le conformère en feuillet β peut
accueillir la formation de bas poids moléculaire. Cependant, les propriétés fonctionnelles des
Aß peptides ne sont pas été totalement clarifiées à ce jour, bien que de nombreuses études