Membrane interaction of a new synthetic antimicrobial lipopetide sp-85 with broad spectrum activity

Antimicrobial peptides offer a new class of therapeutic agents to which bacteria may not be able todevelop genetic resistance, since their main activity is in the lipid component of the bacterial cell mem-brane. We have developed a series of synthetic cationic cyclic lipopeptides based on natural polymyxin,and in this work we explore the interaction of sp-85, an analog that contains a C12 fatty acid at theN-terminus and two residues of arginine. This analog has been selected from its broad spectrum antibac-terial activity in the micromolar range, and it has a disruptive action on the cytoplasmic membrane ofbacteria, as demonstrated by TEM. In order to obtain information on the interaction of this analog withmembrane lipids, we have obtained thermodynamic parameters from mixed monolayers prepared withPOPG and POPE/POPG (molar ratio 6:4), as models of Gram positive and Gram negative bacteria, respec-tively. LangmuirBlodgett films have been extracted on glass plates and observed by confocal microscopy,and images are consistent with a strong destabilizing effect on the membrane organization induced bysp-85. The effect of sp-85 on the membrane is confirmed with unilamelar lipid vesicles of the same com-position, where biophysical experiments based on fluorescence are indicative of membrane fusion andpermeabilization starting at very low concentrations of peptide and only if anionic lipids are present.Overall, results described here provide strong evidence that the mode of action of sp-85 is the alterationof the bacterial membrane permeability barrier.

Interactions of laminin with the amyloid ß peptide: Implications for Alzheimer's disease

Extensive neuronal cell loss is observed in Alzheimer's disease. Laminin immunoreactivity colocalizes with senile plaques, the characteristic extracellular histopathological lesions of Alzheimer brain, which consist of the amyloid ß (Aß) peptide polymerized into amyloid fibrils. These lesions have neurotoxic effects and have been proposed to be a main cause of neurodegeneration. In order to understand the pathological significance of the interaction between laminin and amyloid, we investigated the effect of laminin on amyloid structure and toxicity. We found that laminin interacts with the Aß1-40 peptide, blocking fibril formation and even inducing depolymerization of preformed fibrils. Protofilaments known to be intermediate species of Aß fibril formation were also detected as intermediate species of laminin-induced Aß fibril depolymerization. Moreover, laminin-amyloid interactions inhibited the toxic effects on rat primary hippocampal neurons. As a whole, our results indicate a putative anti-amyloidogenic role of laminin which may be of biological and therapeutic interest for controlling amyloidosis, such as those observed in cerebral angiopathy and Alzheimer's disease.

Régulation de l'activité transcriptionnelle de PPARgamma via l'activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a : potentiel anti-athérosclérotique

Les sécrétines peptidiques de l’hormone de croissance (GHRPs) constituent une classe de peptides synthétiques capables de stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance (GH). Cette activité est médiée par leur liaison à un récepteur couplé aux protéines G : le récepteur des sécrétines de l’hormone de croissance (GHS-R1a), identifié subséquemment comme le récepteur de la ghréline. La ghréline est un peptide de 28 acides aminés sécrété principalement par les cellules de la muqueuse de l’estomac, qui exerce de nombreux effets périphériques indépendamment de la sécrétion de l’hormone de croissance. Les effets indépendants de la sécrétion de GH incluent, entre autres, des actions sur le contrôle de la prise de nourriture, le métabolisme énergétique, la fonction cardiaque, le système immunitaire et la prolifération cellulaire. L’étude de la distribution périphérique des sites de liaison des GHRPs nous a permis d’identifier un second site, le CD36, un récepteur scavenger exprimé dans plusieurs tissus dont le myocarde, l’endothélium de la microvasculature et les monocytes/macrophages. Le CD36 exprimé à la surface du macrophage joue un rôle clé dans l’initiation du développement de l’athérosclérose par la liaison et l’internalisation des lipoprotéines de faible densité oxydées (LDLox) dans l’espace sous-endothélial de l’artère. L’hexaréline, un analogue GHRP, a été développé comme agent thérapeutique pour stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance par l’hypophyse. Sa propriété de liaison aux récepteurs GHS-R1a et CD36 situés en périphérie et particulièrement sa capacité d’interférer avec la liaison des LDLox par le CD36 nous ont incité à évaluer la capacité de l’hexaréline à moduler le métabolisme lipidique du macrophage. L’objectif principal de ce projet a été de déterminer les effets de l’activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a, par l’hexaréline et la ghréline, le ligand endogène du GHS-R1a, sur la physiologie du macrophage et de déterminer son potentiel anti-athérosclérotique. Les résultats montrent premièrement que l’hexaréline et la ghréline augmentent l’expression des transporteurs ABCA1 et ABCG1, impliqués dans le transport inverse du cholestérol, via un mécanisme contrôlé par le récepteur nucléaire PPARγ. La régulation de l’activité transcriptionnelle de PPARγ par l’activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a se fait indépendamment de la présence du domaine de liaison du ligand (LBD) de PPARγ et est conséquente de changements dans l’état de phosphorylation de PPARγ. Une étude plus approfondie de la signalisation résultant de la liaison de la ghréline sur le GHS-R1a révèle que PPARγ est activé par un mécanisme de concertation entre les voies de signalisation Gαq/PI3-K/Akt et Fyn/Dok-1/ERK au niveau du macrophage. Le rôle de PPARγ dans la régulation du métabolisme lipidique par l’hexaréline a été démontré par l’utilisation de macrophages de souris hétérozygotes pour le gène de Ppar gamma, qui présentent une forte diminution de l’activation des gènes de la cascade métabolique PPARγ-LXRα-transporteurs ABC en réponse à l’hexaréline. L’injection quotidienne d’hexaréline à un modèle de souris prédisposées au développement de l’athérosclérose, les souris déficientes en apoE sous une diète riche en cholestérol et en lipides, se traduit également en une diminution significative de la présence de lésions athérosclérotiques correspondant à une augmentation de l’expression des gènes cibles de PPARγ et LXRα dans les macrophages péritonéaux provenant des animaux traités à l’hexaréline. L’ensemble des résultats obtenus dans cette thèse identifie certains nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation de PPARγ et du métabolisme du cholestérol dans le macrophage via les récepteurs CD36 et GHS-R1a. Ils pourraient servir de cibles thérapeutiques dans une perspective de traitement des maladies cardiovasculaires.

Régulation de la fonction plaquettaire par un aptamère dirigé contre le domaine A1 du facteur Von-Willebrand

Drs Dandachli and Arzamendi contributed equally to this work.

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 ».

Lys-gamma3-MSH: a global regulator of hormone sensitive lipase activity?

Gamma-melanocyte stimulating hormone (gamma-MSH) is a peptide derived from the ACTH precursor, pro-opiomelanocortin (POMC), and belongs to a family of peptides called the melanocortins that also comprises alpha- and beta-MSH. Although conserved in tetrapods, the biological role of gamma-MSH remains largely undefined. It has been demonstrated previously that gamma-MSH is involved in the regulating the activity of hormone sensitive lipase (HSL) activity in the adrenal and more recently, in the adipocyte. It has been shown also to have effects on the cardiovascular and renal systems. This short review will provide a brief overview of the role of gamma-MSH in the adrenal and the more recent report that it can also regulate HSL function in the adipocyte. We also present some preliminary data purporting a direct role for Lys-gamma(3)-MSH in the regulation of HSL phosphorylation in the heart. Taken together these data suggest that gamma-MSH peptides might play a more widespread role in lipid and cholesterol utilization.

Evidence of a possible role for Lys-gamma 3-MSH in the regulation of adipocyte function

Lys-gamma 3-MSH is a melanocortin peptide derived from the C-terminal of the 16 kDa fragment of POMC. The physiological role of Lys-gamma 3-MSH is unclear, although it has previously been shown that, although not directly steroidogenic, it can act to potentiate the steroidogenic response of adrenal cortical cells to ACTH. This synergistic effect appears to be correlated with an ability to increase the activity of hormone sensitive lipase (HSL) and therefore the rate of cholesterol ester hydrolysis. Ligand binding studies have suggested that high-affinity binding sites for Lys-gamma 3-MSH exist in the adrenal gland and a number of other rat tissues that express HSL, including adipose, skeletal muscle and testes. To investigate the hypothesis that Lys-gamma 3-MSH may play a wider role in cholesterol and lipid metabolism, we tested the effect of Lys-gamma 3-MSH on lipolysis, an HSL-mediated process, in 3T3-L1 adipocytes. In comparison with other melanocortin peptides, Lys-gamma 3-MSH was found to be a potent stimulator of lipolysis. It was also able to phosphorylate HSL at key serine residues and stimulate the hyper-phosphorylation of perilipin A. The receptor through which the lipolytic actions of Lys-gamma 3-MSH are being mediated is not clear. Attempts to characterise this receptor suggest that either the pharmacology of the melanocortin receptor 5 in 3T3-L1 adipocytes is different from that described when expressed in heterologous systems or the possibility that a further, as yet uncharacterised, receptor exists.

An amyloid-like fibril forming antiparallel supramolecular beta-sheet from a synthetic tripeptide: a crystallographic signature

Single crystal X-ray diffraction studies of a terminally blocked tripeptide Boc-Leu(1)-Aib(2)-Leu(3)-OMe 1 demonstrates that it adopts a bend structure without any intramolecular hydrogen bond. Peptide 1 self-assembles to form a supramolecular antiparallel beta-sheet structure by various non-covalent interactions including intermolecular hydrogen bonds in the crystal and it exhibits amyloid-like fibrillar morphology in the solid state. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Low molecular weight organogelators from self-assembling synthetic tripeptides with coded amino acids: morphological, structural, thermodynamic and spectroscopic investigations

A series of self-assembling terminally blocked tripeptides (containing coded amino acids) form gels in various aromatic solvents including benzene, toluene, xylenes at low concentrations. However these tripeptides do not form gels in aliphatic hydrocarbons like n-hexane, cyclohexane, n-decane etc. Morphological studies of the dried gel indicate the presence of an entangled fibrous network, which is responsible for gelation. Differential scanning calorimetric (DSC) studies of the gels produced by peptide 1 clearly demonstrates thermoreversible nature of the gel and tripeptide-solvent complex may be produced during gel formation. FT-IR and H-1 NMR studies of the gels demonstrate that an intermolecular hydrogen-bonding network is formed during gelation. Single crystal X-ray diffraction studies for peptides 1, 2 and 3 have been performed to investigate the molecular arrangement that might be responsible for forming the fibrous network of these self-assembling peptide gelators. It has been found that the morph responsible for gelation of peptides 1, 2 and 3 in benzene is somewhat different from that of its xerogel.

A new molecular scaffold for the formation of supramolecular peptide double helices: the crystallographic insight

A series of water-soluble synthetic dipeptides (1-3) with an N-terminally located beta-alanine residue, beta-alanyl-L-valine (1), beta-alanyl-L-isoleucine (2), and beta-alanyl-L-phenylalanine (3, form hydrogen-bonded supramolecular double helices with a pitch length of 1 nm, whereas the C-terminally positioned beta-alanine containing dipeptide (4), L-phenylalanyl-beta-alanine, does not form a supramolecular double helical structure. beta-Ala-Xaa (Xaa = Val/Ile/Phe) can be regarded as a new motif for the formation of supramolecular double helical structures in the solid state.

Peptide mediated formation of hierarchically organized solution and solid state polymer nanostructures

Biologically-inspired peptide sequences have been explored as auxiliaries to mediate self-assembly of synthetic macromolecules into hierarchically organized solution and solid state nanostructures. Peptide sequences inspired by the coiled coil motif and "switch" peptides, which can adopt both amphiphilic alpha-helical and beta-strand conformations, were conjugated to poly(ethylene glycol) (PEG). The solution and solid state self-assembly of these materials was investigated using a variety of spectroscopic, scattering and microscopic techniques. These experiments revealed that the folding and organization properties of the peptide sequences are retained upon conjugation of PEG and that they provide the driving force for the formation of the different nanoscale structures which were observed. The possibility of using defined peptide sequences to direct structure formation of synthetic polymers together with the potential of peptide sequences to induce a specific biological response offers interesting prospects for the development of novel self-assembled and biologically active materials.

A synthetic tripeptide as a novel organo-gelator: a structural investigation

A self-associating synthetic tripeptide [Boc-Ala(1)-Aib(2)-beta-Ala(3)-OMe (Aib: alpha-amino-isobutyric acid, beta-Ala: beta-alanine)] forms thermoreversible transparent gels in various organic solvents and this offers the first example of a peptide gelator whose molecular self-assembly afforded for gelation has been characterised by single-crystal X-ray diffraction and FT-IR and NMR spectroscopic studies. The crystal structure of an analogous synthetic non-gelator tripeptide [Boc-Ala(1)-Gly(2)-beta-Ala(3)-OMe] is also discussed in light of the self-assembly of the gelator tripeptide. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

A short water-soluble self-assembling peptide forms amyloid-like fibrils

A water-soluble tripeptide Val-Ile-Ala (VIA) 1, bearing sequence identity with the C-terminal portion of the Alzheimer A beta-peptide (A beta(40-42)), self-assembles, in crystalline form, to produce an intermolecularly hydrogen bonded supramolecular beta-sheet structure which self-associates to form straight, unbranched nanofibrils exhibiting amyloid-like behavior; in contrast, the synthetic tripeptide Ala-Val-Ile (AVI) 2 self-assembles to produce a beta-sheet structure that forms branched nanofibrils which do not show any characteristic features of amyloid-like fibrils.

Inhibition of synaptic transmission and G protein modulation by synthetic CaV2.2 Ca2+ channel peptides

Abstract: Modulation of presynaptic voltage-dependent Ca+ channels is a major means of controlling neurotransmitter release. The CaV 2.2 Ca2+ channel subunit contains several inhibitory interaction sites for Gβγ subunits, including the amino terminal (NT) and I–II loop. The NT and I–II loop have also been proposed to undergo a G protein-gated inhibitory interaction, whilst the NT itself has also been proposed to suppress CaV 2 channel activity. Here, we investigate the effects of an amino terminal (CaV 2.2[45–55]) ‘NT peptide’ and a I–II loop alpha interaction domain (CaV 2.2[377–393]) ‘AID peptide’ on synaptic transmission, Ca2+ channel activity and G protein modulation in superior cervical ganglion neurones (SCGNs). Presynaptic injection of NT or AID peptide into SCGN synapses inhibited synaptic transmission and also attenuated noradrenaline-induced G protein modulation. In isolated SCGNs, NT and AID peptides reduced whole-cell Ca2+ current amplitude, modified voltage dependence of Ca2+ channel activation and attenuated noradrenaline-induced G protein modulation. Co-application of NT and AID peptide negated inhibitory actions. Together, these data favour direct peptide interaction with presynaptic Ca2+ channels, with effects on current amplitude and gating representing likely mechanisms responsible for inhibition of synaptic transmission. Mutations to residues reported as determinants of Ca2+ channel function within the NT peptide negated inhibitory effects on synaptic transmission, Ca2+ current amplitude and gating and G protein modulation. A mutation within the proposed QXXER motif for G protein modulation did not abolish inhibitory effects of the AID peptide. This study suggests that the CaV 2.2 amino terminal and I–II loop contribute molecular determinants for Ca2+ channel function; the data favour a direct interaction of peptides with Ca2+ channels to inhibit synaptic transmission and attenuate G protein modulation. Non-technical summary: Nerve cells (neurones) in the body communicate with each other by releasing chemicals (neurotransmitters) which act on proteins called receptors. An important group of receptors (called G protein coupled receptors, GPCRs) regulate the release of neurotransmitters by an action on the ion channels that let calcium into the cell. Here, we show for the first time that small peptides based on specific regions of calcium ion channels involved in GPCR signalling can themselves inhibit nerve cell communication. We show that these peptides act directly on calcium channels to make them more difficult to open and thus reduce calcium influx into native neurones. These peptides also reduce GPCR-mediated signalling. This work is important in increasing our knowledge about modulation of the calcium ion channel protein; such knowledge may help in the development of drugs to prevent signalling in pathways such as those involved in pain perception.

Altering peptide fibrillization by polymer conjugation

A strategy is presented that exploits the ability of synthetic polymers of different nature to disturb the strong selfassembly capabilities of amyloid based β-sheet forming peptides. Following a convergent approach, the peptides of interest were synthesized via solid-phase peptide synthesis (SPPS) and the polymers via reversible addition−fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization, followed by a copper(I) catalyzed azide− alkyne cycloaddition (CuAAC) to generate the desired peptide− polymer conjugates. This study focuses on a modified version of the core sequence of the β-amyloid peptide (Aβ), Aβ(16−20) (KLVFF). The influence of attaching short poly(Nisopropylacrylamide) and poly(hydroxyethylacrylate) to the peptide sequences on the self-assembly properties of the hybrid materials were studied via infrared spectroscopy, TEM, circular dichroism and SAXS. The findings indicate that attaching these polymers disturbs the strong self-assembly properties of the biomolecules to a certain degree and permits to influence the aggregation of the peptides based on their β-sheets forming abilities. This study presents an innovative route toward targeted and controlled assembly of amyloid-like fibers to drive the formation of polymeric nanomaterials.