The activity of pH membrane disruptive pseudopeptides and their subcellular fate in mammalian cells cultured in-vitro

This thesis describes investigations upon pseudopeptides which were conducted to improve our understanding of the fate of synthetic macromolecules in cells and to develop approaches to influence that fate. The low uptake of molecules across the external cellular membrane is the principal barrier against effective delivery of therapeutic products to within the cell structure. In nature, disruption of this membrane by amphiphilic peptides plays a central role in the pathogenesis by bacterial and toxin infections. These amphiphilic peptides contain both hydrophobic and weakly charged hydrophilic amino acid residues and upon activation they become integrated into the lipid bilayers of the extracellular or endosomal membranes. The architectures of the pseudopeptides described here were designed to display similar pH dependent membrane rupturing activity to that of peptides derived from the influenza virus hemagglutinin HA-2. This HA protein promotes fusion of the influenza virus envelope with the cell endosome membrane due to a change in conformation in response to the acidic pH of the endosome lumen (pH 5.0-6.0). The pseudopeptides were obtained by the copolymerisation of L-lysine and L-lysine ethyl-ester with various dicarboxylic acid moieties. In this way a linear polyamide comprising of alternating pendant carboxylic acids and pendant hydrophobic moieties was made. At physiological pH (pH 7.4), electrostatic repulsion of pendant anionic carboxyl groups along the polymer backbone is sufficient to overcome the intramolecular association of the hydrophobic groups resulting in an extended conformation. At low pH (typically pH 4.8) loss of charge results in increased intramolecular hydrophobic association and the polymer chain collapses to a compact conformation, leading to precipitation of the polymer. Consequently, a conformation dependent functional property could be made to respond to small changes in the environmental pH. Pseudopepides were investigated for their cytoxicity towards a well known cell line, namely C26 (colorectal adenocarcinoma) and were shown through the use of a cell viability assay, MTT (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5 diphenyltetrazolium bromide) to be well tolerated by C26 cells over a range of concentrations (2-500,μg/ml) at physiological pH (pH 7.4). A modified version of a shorter 30-minute coupled enzymatic assay, the LDH (lactate dehydrogenase) assay was used to evaluate the ability of the pseudopeptides to disrupt the membrane of two different cell lines (COS-1; African green monkey, kidney and A2780; human ovarian carcinoma) at low pH (pH 5.5). The cell membrane disruption property of the pseudopeptides was successfully demonstrated for COS-I and A2780 cell lines at this pH (pH 5.5). A variety of cell lines were chosen owing to limited availability and to compare the cytotoxic action of these pH responsive psudopeptides towards normal and tumorogenic cell lines. To investigate the intracellular delivery of one of the pseudopeptides, poly (L-lysine iso-phthalamide) and its subcellular location, a Cy3 bisamine fluorophore was conjugated into its backbone, at ratios of dye:lysine of 1:20, 1:30, 1:40, 1:60 and 1:80. Native polyacrylacrylamide gel electrophoresis (PAGE) and high voltage paper electrophoresis (HVPE) studies of the polydyes were conducted and provided evidence that that the Cy3 bisamine fluorophore was conjugated into the backbone of the polymer, poly (L-lysine iso-phthalamide). The subcellular fate of the fluorescentlylabelled "polydye" (hereafter PD20) was monitored by laser scanning confocal microscopy (LSCM) in CHO (Chinese hamster ovary) cells cultured in-vitro at various pH values (pH 7.4 and 5.0). LSCM images depicting time-dependent internalisation of PD20 indicated that PD20 traversed the extracellular membrane of CHO cells cultured in-vitro within ten minutes and migrated towards the endosomal regions where the pH is in the region of 5.0 to 6.0. Nuclear localisation of PD20 was demonstrated in a subpopulation of CHO cells. A further study was completed in CHO and HepG2 (hepatocellular carcinoma) cells cultured in-vitro using a lower molecular weight polymer to demonstrate that the molecular weight of "polydye" could be tailored to attain nuclear trafficking in cells. Prospective use of this technology encompasses a method of delivering a payload into a living cell based upon the hypercoiling nature of the pseudopeptides studied in this thesis and has led to a patent application (GB0228525.2; 20(2).

Hepsine et matriptase activent l’hémagglutinine des virus influenza A et B et leur inhibition représente une nouvelle stratégie thérapeutique n’entraînant pas le développement de résistance

Résumé: Chaque année, les épidémies saisonnières d’influenza causent de 3 à 5 millions de cas sévères de maladie, entraînant entre 250 000 et 500 000 décès mondialement. Seulement deux classes d’antiviraux sont actuellement commercialisées pour traiter cette infection respiratoire : les inhibiteurs de la neuraminidase, tels que l’oseltamivir (Tamiflu) et les inhibiteurs du canal ionique M2 (adamantanes). Toutefois, leur utilisation est limitée par l’apparition rapide de résistance virale. Il est donc d’un grand intérêt de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour le traitement de l’influenza. Le virus influenza dépend de l’activation de sa protéine de surface hémagglutinine (HA) pour être infectieux. L’activation a lieu par clivage protéolytique au sein d’une séquence d’acides aminés conservée. Ce clivage doit être effectué par une enzyme de l’hôte, étant donné que le génome du virus ne code pour aucune protéase. Pour les virus infectant l’humain, plusieurs études ont montré le potentiel de protéases à sérine transmembranaires de type II (TTSP) à promouvoir la réplication virale : TMPRSS2, TMPRSS4, HAT, MSPL, Desc1 et matriptase, identifiée récemment par notre équipe (Beaulieu, Gravel et al., 2013), activent l’HA des virus influenza A (principalement H1N1 et H3N2). Toutefois, il existe peu d’information sur le clivage de l’HA des virus influenza B, et seulement TMPRSS2 et HAT ont été identifiées comme étant capables d’activer ce type de virus. Les travaux de ce projet de maîtrise visaient à identifier d’autres TTSP pouvant activer l’HA de l’influenza B. L’efficacité de clivage par la matriptase, hepsine, HAT et Desc1 a été étudiée et comparée entre ces TTSP. Ces quatre protéases s’avèrent capables de cliver l’HA de l’influenza B in vitro. Cependant, seul le clivage par matriptase, hepsine et HAT promeut la réplication virale. De plus, ces TTSP peuvent aussi supporter la réplication de virus influenza A. Ainsi, l’utilisation d’un inhibiteur de TTSP, développé en collaboration avec notre laboratoire, permet de bloquer significativement la réplication virale dans les cellules épithéliales bronchiques humaines Calu-3. Cet inhibiteur se lie de façon covalente et lentement réversible au site actif de la TTSP par un mécanisme slow tight-binding. Puisque cet inhibiteur cible une composante de la cellule hôte, et non une protéine virale, il n’entraîne pas le développement de résistance après 15 passages des virus en présence de l’inhibiteur dans les cellules Calu-3. L’inhibition des TTSP activatrices d’HA dans le système respiratoire humain représente donc une nouvelle stratégie thérapeutique pouvant mener au développement d’antiviraux efficaces contre l’influenza.

Caractérisation d’un effecteur de phosphoinositides chez le parasite de la malaria "Plasmodium falciparum"

La malaria est une maladie infectieuse causant plus de 500 000 morts chaque année. La maladie est causée par un protozoaire de la famille Plasmodium. L’apparition de souches résistantes aux traitements actuels et l’absence de vaccin efficace rendent la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques urgente. Le parasite possède un complexe apical, un groupement de vacuoles sécrétoires spécialisées contenant les protéines responsables de l’invasion du globule rouge. Nous nous intéressons aux mécanismes gouvernant le transport intracellulaire de ces protéines et à la biogenèse du complexe apical lors de la formation des nouveaux parasites. Plus particulièrement, nous nous intéressons au rôle des phosphoinositides dans le recrutement des protéines à la membrane de l’appareil de Golgi. Par analyse bio-informatique du génome de P. falciparum, nous avons identifié plusieurs protéines effectrices liant potentiellement les phosphoinositides. Les travaux présentés dans ce mémoire concernent Mal13P1.188, une protéine possédant un domaine Pleckstrin homology. Nous proposons que Mal13P1.188 ait un rôle dans la génération du complexe apical en recrutant les protéines le constituant à la membrane du Golgi par la liaison avec les phosphoinositides. Afin de vérifier nos hypothèses, nous avons généré une lignée de parasite dont le gène de Mal13P1.188 est fusionné avec une GFP et une hémagglutinine. À l’aide de cette lignée de parasite, nous avons pu identifier Mal13P1.188 à proximité de l’appareil de Golgi lorsque les parasites étaient sous la forme schizont du cycle érythrocytaire. D’autres expériences ont permis de confirmer que le domaine Pleckstrin homology de Mal13P1.188 était capable de reconnaître les différentes formes de phosphoinositides. Finalement, d’autres travaux devront être faits sur Mal13P1.188 afin de déterminer si elle est essentielle à la survie du parasite.