Stabilization of two smallest possible diastereomeric beta-hairpins in a water soluble tetrapeptide containing non-coded alpha-amino isobutyric acid (Aib) and m-amino benzoic acid

Single crystal X-ray diffraction study reveals that the water soluble tetrapeptide H2N-Ile-Aib-Leu-m-ABA-CO2H, containing non-coded Aib (alpha-amino isobutyric acid) and m-ABA (meta-amino benzoic acid), crystallizes with two smallest possible diastereomeric beta-hairpin molecules in the asymmetric unit. Although in both of the molecules the chiralities at Ile(1) and Leu(3) are S, a conformational reversal in the back bone chain is observed to produce the beta-hairpins with beta-turn conformations of type II and II'. Interestingly Aib which is known to adopt helical conformation, adopts unusual semi-extended conformation with phi: -49.5(5)degrees, psi: 135.2(5)degrees in type II and phi: 50.6(6)degrees. psi: -137.0(4)degrees in type II' for occupying the i + 1 position of the beta-turns. The two hairpin molecules are further interlocked through intermolecular hydrogen bonds and electrostatic interactions between CO2- and -+NH3 groups to form dimeric supramolecular beta-hairpin aggregate in the crystal state. The CD measurement and 2D NMR study of the peptide in aqueous medium support the existence of beta-hairpin structure in water. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

First crystallographic signature of an acyclic peptide nanorod: molecular mechanism of nanorod formation by a self-assembled tetrapeptide

A terminally protected acyclic tetrapeptide Boc-Aib-Val-Aib-beta-Ala-OMe 1 (Aib: alpha-aminoisobutyric acid, beta-Ala: beta-Alanine) self-assembles into a continuous hydrogen-bonded supramolecular helix with an average diameter of 10Angstrom (1nm) starting from a double bend molecular conformation in crystals and further self-assembly of this supramolecular architecture leads to the formation of polydisperse nanorods of diameters 10-40 nm.

Transdermal delivery of a tetrapeptide: Evaluation of passive diffusion

Skin penetration of the tetrapeptide Ac-Ala-Ala-Pro-Val-NH2 was assessed. This peptide sequence fits the P-P-1 subsites of elastase and inhibits human neutrophil elastase competitively. Consequently this peptide may be therapeutically useful in a variety of inflammatory disorders, including psoriasis. in which elevated levels of human neutrophil elastase have been reported. Peptide penetration was assessed across whole human skin, whole skin with the stratum corneum removed by tape stripping and epidermis, which had been removed from the dermis by heat separation. The influence of 75% aqueous ethanol as a potential penetration enhancer of the tetrapeptide across epidermis was also assessed. The tetrapeptide did not penetrate whole human skin or epidermis, even under the influence of 75% aqueous ethanol. However, when the stratum corneum was removed tetrapeptide flux of 73.39 mug cm(-2) h(-1) was achieved. The study demonstrates that the stratum corneum is the main barrier to tetrapeptide skin penetration and must be overcome if therapeutically relevant amounts of tetrapeptide are to be delivered to the skin.

The effect of PEO length on the self-assembly of poly(ethylene oxide)−tetrapeptide conjugates prepared by “click” chemistry

Two series of poly(ethylene oxide)-tetrapeptide conjugates have been prepared using a “Click” reaction between an alkyne-modified tetra(phenylalanine) or tetra(valine) and various azide-terminated poly(ethylene oxide) (PEO) oligomers. Three different PEO precursors were used to prepare these conjugates, with number-average molecular weights of 350, 1200, and 1800 Da. Assembly of mPEO-F4-OEt and mPEO-V4-OEt conjugates was achieved by dialysis of a THF solution of the conjugate against water or by direct aqueous rehydration of a thin film. The PEO length has a profound effect on the outcome of the self-assembly, with the F4 conjugates giving rise to nanotubes, fibers, and wormlike micelles, respectively, as the length of the PEO block is increased. For the V4 series, the propensity to form ß-sheets dominates, and hence, the self-assembled structures are reminiscent of those formed by peptides alone, even at the longer PEO lengths. Thus, this systematic study demonstrates that the self-assembly of PEO-peptides depends on both the nature of the peptides and the relative PEO block length.

Expressão e caracterização de uma lectina recombinante de interesse biomédico

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Engenharia Clínica)

Pró-fármacos fotoativáveis do péptido AAPV: síntese e avaliação da libertação controlada por luz

Dissertação de mestrado em Bioquímica Aplicada (área de especialização em Biomedicina)

Synthetic Plasmodium falciparum circumsporozoite peptides elicit heterogenous L3T4+ T cell proliferative responses in H-2b mice.

The ability of synthetic P. falciparum (NANP)n circumsporozoite peptides to elicit murine T cell proliferative responses was studied. When C57BL/6, C3H, and DBA/2 mice were injected with (NANP)40, only C57BL/6 (H-2b)-immune lymph node cells proliferated on restimulation in vitro with the same peptide. By using anti-I-A monoclonal antibodies or spleen cells from congenic H-2b mice as a source of antigen-presenting cells, the T cell proliferative response was shown to be restricted to the I-Ab region of the C57BL/6 haplotype. These results are in agreement with previous experiments which demonstrated that the anti-(NANP)40 antibody response was uniquely restricted to C57BL/6 (H-2b) mice. Several C57BL/6 long-term (NANP)n-specific T cell lines and clones were derived. All of the clones exhibited the L3T4 helper T cell phenotype. A considerable heterogeneity of T cell responses was observed when the lines and clones were stimulated with different concentrations of the various peptides studied. The results, together with the observed genetic restriction for both antibody and T cell responses, suggest that perhaps not all individuals who receive a similar repetitive tetrapeptide sporozoite malaria vaccine will develop T cell and or antibody responses.

Characterisation of two soluble metalloexopeptidases in the protozoan parasite Leishmania major.

Two soluble exopeptidases were identified in promastigotes of Leishmania major, using an iodinated model tetrapeptide (LIAY) as substrate. Similar activities were also detected in L. major amastigotes and in different species of Leishmania promastigotes. A carboxy- and an aminopeptidase activity were resolved and isolated by anion exchange and gel permeation chromatographies. A single polypeptide of 62 kDa co-purified with the aminopeptidase activity. Optimum pH was neutral for the carboxypeptidase and neutral to alkaline for the aminopeptidase. Both activities were able to hydrolyse a dipeptide substrate (YL), and were inhibited by 20 microM bestatin and 200 microM 1,10-phenanthroline, but not by leupeptin, iodoacetamide and a range of other inhibitors. These results strongly suggest that both enzymes are metalloexopeptidases and thus represent a novel class of soluble peptidases in Leishmania.

Synthesis of chemically functionalized superparamagnetic nanoparticles as delivery vectors for chemotherapeutic drugs.

Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) are in clinical use for disease detection by MRI. A major advancement would be to link therapeutic drugs to SPIONs in order to achieve targeted drug delivery combined with detection. In the present work, we studied the possibility of developing a versatile synthesis protocol to hierarchically construct drug-functionalized-SPIONs as potential anti-cancer agents. Our model biocompatible SPIONs consisted of an iron oxide core (9-10 nm diameter) coated with polyvinylalcohols (PVA/aminoPVA), which can be internalized by cancer cells, depending on the positive charges at their surface. To develop drug-functionalized-aminoPVA-SPIONs as vectors for drug delivery, we first designed and synthesized bifunctional linkers of varied length and chemical composition to which the anti-cancer drugs 5-fluorouridine or doxorubicin were attached as biologically labile esters or peptides, respectively. These functionalized linkers were in turn coupled to aminoPVA by amide linkages before preparing the drug-functionalized-SPIONs that were characterized and evaluated as anti-cancer agents using human melanoma cells in culture. The 5-fluorouridine-SPIONs with an optimized ester linker were taken up by cells and proved to be efficient anti-tumor agents. While the doxorubicin-SPIONs linked with a Gly-Phe-Leu-Gly tetrapeptide were cleaved by lysosomal enzymes, they exhibited poor uptake by human melanoma cells in culture.

Méthodologie pour la synthèse combinatoire d’azapeptides: application à la synthèse d’analogues aza-GHRP-6 en tant que ligands du récepteur CD36

Les azapeptides sont des mimes peptidiques où le carbone alpha d’un ou de plusieurs acides aminés est remplacé par un atome d’azote. Cette modification tend à stabiliser une conformation en repliement beta en raison de la répulsion électronique entre les paires d’électrons libres des atomes d’azote adjacents et de la géométrie plane de l’urée. De plus, le résidu semicarbazide a une meilleure résistance face aux protéases en plus d’être chimiquement plus stable qu’une liaison amide. Bien que les propriétés des azapeptides en fassent des mimes peptidiques intéressants, leurs méthodes de synthèses font appel à la synthèse laborieuse d’hydrazines substituées en solution. Le peptide sécréteur d’hormone de croissance 6 (GHRP-6, His-D-Trp-Ala-Trp-D-Phe-Lys-NH2) est un hexapeptide synthétique qui possède une affinité pour deux récepteurs distincts: les récepteurs GHS-R1a et CD36. Les travaux effectués au cours de mon doctorat qui seront détaillés dans cet ouvrage visent à atteindre deux objectifs: (1) le développement d’analogues du peptide GHRP-6 sélectif à un seul récepteur et (2) la mise au point d’une nouvelle méthodologie pour la synthèse combinatoire d’azapeptides. En réponse au premier objectif, la synthèse parallèle de 49 analogues aza-GHRP-6 a été effectuée et certains candidats sélectifs au récepteur CD36 ont été identifiés. L’étude de leurs propriétés anti-angiogéniques, effectuée par nos collaborateurs, a également permis d’identifier des candidats intéressants pour le traitement potentiel de la dégénérescence maculaire liée à l’âge. Une nouvelle approche pour la synthèse combinatoire d’azapeptides, faisant appel à l’alkylation et la déprotection chimiosélective d’une sous-unité semicarbazone ancrée sur support solide, a ensuite été développée. La portée de cette méthodologie a été augmentée par la découverte de conditions permettant l’arylation régiosélective de cette sous-unité semicarbazone, donnant accès à treize nouveaux dérivés aza-GHRP-6 possédant des résidus aza-arylglycines aux positions D-Trp2 et Trp4. L’élaboration de conditions propices à l’alkylation et la déprotection chimiosélective de la semicarbazone a donné accès à une variété de chaînes latérales sur l’acide aminé « aza » préalablement inaccessibles. Nous avons, entre autres, démontré qu’une chaîne latérale propargyl pouvait être incorporée sur l’acide aminé « aza ». Tenant compte de la réactivité des alcynes, nous avons ensuite élaboré des conditions réactionnelles permettant la formation in situ d’azotures aromatiques, suivie d’une réaction de cycloaddition 1,3-dipolaire sur support solide, dans le but d’obtenir des mimes de tryptophane. Sept analogues du GHRP-6 ont été synthétisés et testés pour affinité au récepteur CD36 par nos collaborateurs. De plus, nous avons effectué une réaction de couplage en solution entre un dipeptide possédant un résidu aza-propargylglycine, du paraformaldehyde et une variété d’amines secondaires (couplage A3) afin d’accéder à des mimes rigides d’aza-lysine. Ces sous-unités ont ensuite été incorporées sur support solide afin de générer sept nouveaux azapeptides avec des dérivés aza-lysine à la position Trp4 du GHRP-6. Enfin, une réaction de cyclisation 5-exo-dig a été développée pour la synthèse de N-amino imidazolin-2-ones en tant que nouveaux mimes peptidiques. Leur fonctionnalisation par une série de groupements benzyliques à la position 4 de l’hétérocycle a été rendue possible grâce à un couplage Sonogashira précédant la réaction de cyclisation. Les propriétés conformationnelles de cette nouvelle famille de composés ont été étudiées par cristallographie aux rayons X et spectroscopie RMN d’un tétrapeptide modèle. L’activité biologique de deux mimes peptidiques, possédant un résidu N-amino-4-méthyl- et 4-benzyl-imidazolin-2-one à la position Trp4 du GHRP-6, a aussi été examinée. L’ensemble de ces travaux devrait contribuer à l’avancement des connaissances au niveau des facteurs structurels et conformationnels requis pour le développement d’azapeptides en tant que ligands du récepteur CD36. De plus, les résultats obtenus devraient encourager davantage l’utilisation d’azapeptides comme peptidomimétiques grâce à leur nouvelle facilité de synthèse et la diversité grandissante au niveau de la chaîne latérale des acides aminés « aza ».

Conception, synthèse et diversification de l'azaGly-Pro : un mime de tour beta, outil d'étude structure-activité : application au développement d'un nouvel agent tocolytique

Les accouchements prématurés constituent un problème médical majeur en constante augmentation et ce, malgré tous les efforts mis en œuvre afin de contrer le déclenchement des contractions avant terme. Cette thèse relate du ''design'' rationnel d'un nouvel agent thérapeutique (i.e., tocolytique) qui serait capable de 1) arrêter les contractions, et 2) prolonger la gestation. Pour ce faire, une nouvelle cible, la prostaglandine F2α et son récepteur ont été sélectionnés et le peptidomimétisme a été choisi afin de résoudre cette problématique. L'introduction contient un historique rapide de la conception à la synthèse (''drug design'') du peptide parent, le PDC113, premier peptide a avoir démontré des aptitudes tocolytiques suffisantes pour faire du peptidomimétisme. La deuxième partie de l'introduction présente les concepts du peptidomimétisme appliqués au PDC113 qui ont permis d'accéder au PDC113.824, inhibiteur allostérique du récepteur de la prostaglandine F2α, et explique comment ce mime nous a permis d'élucider les mécanismes de signalisation intracellulaire impliqués dans la contraction musculaire lisse. Cette thèse présente la conception, la synthèse et l'étude structure-activité de mimes de repliement de tour β au sein du mime peptidique original (PDC113.824) dans lequel nous avons remplacé l'azabicycloalkane central (l'indolizidin-2-one) par une série d'autres azabicycloalcanes connus et des acides aza-aminés dont nous avons élaboré la synthèse. Dans un premier temps, une nouvelle stratégie de synthèse en solution de l'aza-glycyl-proline à partir de la diphényle hydrazone et du chloroformate de p-nitrophényle a été réalisée. Cette stratégie a permis d'éliminer les réactions secondaires de cyclisation intramoléculaires communément obtenues lors de l'introduction d'acides aza-aminés avec les protections traditionnelles de type carbamate en présence de phosgène, mais aussi de faciliter l'accès en une étape à des dérivés peptidiques du type aza-glycyle. L'élongation de l'aza-glycyl-proline en solution nous a permis d'accéder à un nouveau mime tetrapeptidique du Smac, un activateur potentiel de l'apoptose au sein de cellules cancéreuses. Par la suite, nous avons développé une stratégie de diversification sélective de l'azote α du résidu azaglycine en utilisant différents types d'halogénures d'alkyle en présence de tert-butoxyde de potassium. Afin de valider le protocole d'alkylation de l'aza-dipeptide, différents halogénures d'alkyle ont été testés. Nous avons également démontré l'utilité des aza-dipeptides résultants en tant que ''building block'' afin d'accéder à une variété d'azapeptides. En effet, l'aza-dipeptide a été déprotégée sélectivement soit en N-terminal soit en C-terminal, respectivement. D'autre part, la libération de l'amine de l'ester méthylique de l'aza-alkylglycyl-proline a conduit à une catégorie de composés à potentiel thérapeutique, les azadicétopipérazines (aza-DKP) par cyclisation intramoléculaire. Enfin, notre intérêt quant au développement d'un nouvel agent tocolytique nous a amené à développer une nouvelle voie de synthèse en solution du PDC113.824 permettant ainsi d'élucider les voies de signalisation intracellulaires du récepteur de la prostaglandine F2α. Afin de valider l'importance de la stéréochimie et d'étudier la relation structure/ activité du mime, nous avons remplacé l'indolizidin-2-one (I2aa) centrale du PDC113.824 par une série d'autres azabicycloalcanes et azadipeptides. Les azabicycloalcanes D-I2aa, quinolizidinone, et indolizidin-9-one ont été synthétisés et incorporés au sein du dit peptide ne donnant aucune activité ni in vitro ni ex vivo, validant ainsi l'importance du tour β de type II' pour le maintien de l'activité biologique du PDC113.824. Finalement, l'insertion d'une série de dérivés aza(alkyl)glycyl-prolyles a mené à de nouveaux inhibiteurs allostériques du récepteur de la PGF2α, l'un contenant l'azaglycine et l'autre, l'azaphénylalanine. Cette thèse a ainsi contribué, grâce à la conception et l'application de nouvelles méthodes de synthèse d'aza-peptides, au développement de nouveaux composés à potentiel thérapeutique afin d'inhiber le travail prématuré.

Étude de tour béta actif dans les modulateurs allostériques du récepteur de la prostaglandine F2alpha

La naissance avant terme constitue un important problème de santé périnatale partout dans le monde. Chaque année près de 15 millions de bébés naissent prématurément. Notre laboratoire s’intéresse depuis une décennie à la conception et le développement de nouvelles classes thérapeutiques (appelés agents tocolytiques) capables d’inhiber les contractions utérines et prolonger le temps de gestation. Due à son implication directe dans le déclanchement des contractions utérines, la prostaglandine F2α (FP) est devenue notre cible de choix. Le PDC 113.824 et aza-glycinyl-proline sont apparus comme des inhibiteurs allostériques puissants du récepteur de la prostaglandine F2α, capables de prolonger la durée de gestation chez les souris. Le travail réalisé au cours de ce mémoire a pour objectif d’étudier le tour β nécessaire pour la reconnaissance sur le récepteur de la prostaglandine F2α. Dans la conception de mime peptidique sélectif efficace et puissant, le repliement β est un élément structural essentiel pour le maintien ou l’amélioration de l’activité du mime peptidique. Les études conformationelles du PDC113.824 et l’aza-glycinyl-proline montrent que les squelettes centraux de ces mimes peptidiques pourraient adopter essentiellement un tour β de type I ou II`, ce qui suggère l’implication des deux types de tours dans l’activité biologique. La synthèse de mimes peptidiques adoptant le tour β de type I et II` est devenue une stratégie logique dans la recherche de nouveaux agents tocolytiques. Au cours de ces études quatre analogues du PDC113.824 ont été synthétisés, un azabicyclo[5.3.0]alkanone et un dipeptide macrocyclique (mimes du tours β de type I) pour étudier l’implication du tour β type I. Par la suite la synthèse de glycinyl-proline et le D-alaninyl-proline (des mimes du tour β du type II`) a été réalisée afin de valider l’implication du tour β type II` dans la reconnaissance sur le récepteur. Nous avons utilisé une stratégie de synthèse efficace pour obtenir les deux analogues (azabicyclo [5.3.0]alkanone et dipeptides macrocycles) à partir d’un intermédiaire commun, en procédant par une cyclisation transannulaire diastéréosélective du tétra-peptide.

Supramolecular peptide helix from a novel double turn forming peptide containing a beta-amino acid

A single-crystal X-ray diffraction study of the terminally protected tetrapeptide Boc-beta-Ala-Aib-Leu-Aib-OMe 1 (Aib: alpha-aminoisobutyric acid; beta-Ala: beta-Alanine) reveals that it adopts a new type of double turn structure which self-associates to form a unique supramolecular helix through intermolecular hydrogen bonds. Scanning electron microscopic studies show that peptide 1 exhibits amyloid-like fibrillar morphology in the solid state. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Supramolecular helix and beta-sheet through self-assembly of two isomeric tetrapeptides in crystals and formation of filaments and ribbons in the solid state

Single crystal X-ray diffraction studies show that the beta-turn structure of tetrapeptide I, Boc-Gly-Phe-Aib-Leu-OMe (Aib: alpha-amino isobutyric acid) self-assembles to a supramolecular helix through intermolecular hydrogen bonding along the crystallographic a axis. By contrast the beta-turn structure of an isomeric tetrapeptide II, Boc-Gly-Leu-Aib-Phe-OMe self-assembles to a supramolecular beta-sheet-like structure via a two-dimensional (a, b axis) intermolecular hydrogen bonding network and pi-pi interactions. FT-IR studies of the peptides revealed that both of them form intermolecularly hydrogen bonded supramolecular structures in the solid state. Field emission scanning electron micrographs (FE-SEM) of the dried fibrous materials of the peptides show different morphologies, non-twisted filaments in case of peptide I and non-twisted filaments and ribbon-like structures in case of peptide II.