Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Characterization of the Structure and Dynamics of Biomimetic Peptides by Solid-State NMR

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-05

A new principle for tight junction modulation based on occludin peptides

The aim of this study was to investigate whether peptides from the extracellular loops of the tight junction protein occludin could be used as a new principle for tight junction modulation. Peptides of 4 to 47 amino acids in length and covering the two extracellular loops of the tight junction protein occludin were synthesized, and their effect on the tight junction permeability in Caco-2 cells was investigated using [C-14] mannitol as a paracellular marker. Lipopeptide derivatives of one of the active occludin peptides (OPs), synthesized by adding a lipoamino acid containing 14 carbon atoms (C-14-) to the N terminus of the peptide, were also investigated. Peptides corresponding to the N terminus of the first extracellular loop of occludin increased the permeability of the tight junctions without causing short-term toxicity. However, the peptides had an effect only when added to the basolateral side of the cells, which could be partly explained by degradation by apical peptidases and aggregate formation. By contrast, the lipopeptide C-14-OP90-103, which protects the peptide from degradation and aggregation, displayed a rapid apical effect. The L- and D-diastereomers of C-14-OP90-103 had distinctly different effects. The D-isomer, which releases intact OP90-103 from the lipoamino acid, displayed a rapid and transient increase in tight junction permeability. The L- isomer, which releases OP90-103 more rapidly, gave a more sustained increase in tight junction permeability. In conclusion, C-14-OP90-103 represents a prototype of a new class of tight junction modulators that act on the extracellular domains of tight junction proteins.

Modulation of human V alpha 24(+)V beta 11(+) NKT cells by age, malignancy and conventional anticancer therapies

Immunotherapy strategies aimed at increasing human Valpha24(+)Vbeta11(+) natural killer T (NKT) cell numbers are currently a major focus. To provide further information towards the goal of NKT cell-based immunotherapy, we assessed the effects of age, cancer status and prior anticancer treatment on NKT cell numbers and their expansion capacity following alpha-galactosylceramide (alpha-GalCer) stimulation. The percentage and absolute number of peripheral blood NKT cells was assessed in 40 healthy donors and 109 solid cancer patients ( colorectal ( n = 33), breast ( n = 10), melanoma ( n = 17), lung ( n = 8), renal cell carcinoma ( n = 10), other cancers ( n = 31)). Responsiveness to alpha-GalCer stimulation was also assessed in 28 of the cancer patients and 37 of the healthy donors. Natural killer T cell numbers were significantly reduced in melanoma and breast cancer patients. While NKT numbers decreased with age in healthy donors, NKT cells were decreased in these cancer subgroups despite age and sex adjustments. Prior radiation treatment was shown to contribute to the observed reduction in melanoma patients. Although cancer patient NKT cells were significantly less responsive to alpha-GalCer stimulation, they remained capable of substantial expansion. Natural killer T cells are therefore modulated by age, malignancy and prior anticancer treatment; however, cancer patient NKT cells remain capable of responding to alpha-GalCer-based immenotherapies.

ISCOMATRIX (TM) adjuvant: An adjuvant suitable for use in anticancer vaccines

Human Papillomavirus type 16 (HPV16) E6 and E7 oncoproteins are associated with cervical cancer development and progression and can therefore be used as target antigens for cancer immunotherapy. In this study we evaluated the immunogenicity in mice, of different vaccine formulations using recombinant HPV16 derived E6E7 or E7GST fusion proteins. When co-administered with ISCOMATRIX(TM) adjuvant, these E6E7 proteins consistently induced E7 specific CTL, in vivo tumor protection, antibody and DTH responses. ISCOMATRIX(TM) adjuvant has been developed for use in the formulation of novel human vaccines and has been evaluated for safety and toxicity in human trials. A formulation containing aluminum hydroxide (Al(OH)(3)) gave a lesser degree of E7 specific antibody, and no local E7 specific CTL response but similar DTH and tumor protection. These findings demonstrate the potential of ISCOMATRIX(TM) adjuvant to stimulate both cellular and humoral immune responses to endogenously processed target antigens, and hence is the preferred adjuvant when CTL responses are desirable. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Phosphotyrosyl peptides and analogues as substrates and inhibitors of purple acid phosphatases

Purple acid phosphatases are metal-containing hydrolases. While their precise biological role(s) is unknown, the mammalian enzyme has been linked in a variety of biological circumstances (e.g., osteoporosis) with increased bone resorption. Inhibition of the human enzyme is a possible strategy for the treatment of bone-resorptive diseases such as osteoporosis. Previously, we determined the crystal structure of pig purple acid phosphatase to 1.55 Angstrom and we showed that it is a good model for the human enzyme. Here, a study of the pH dependence of its kinetic parameters showed that the pig enzyme is most efficient at pH values similar to those encountered in the osteoclast resorptive space. Based on the observation that phosphotyrosine-containing peptides are good substrates for pig purple acid phosphatase, peptides containing a range of phosphotyrosine mimetics were synthesized. Kinetic analysis showed that they act as potent inhibitors of mammalian and plant purple acid phosphatases, with the best inhibitors exhibiting low micromolar inhibition constants at pH 3-5. These compounds are thus the most potent organic inhibitors yet reported for the purple acid phosphatases. (C) 2004 Published by Elsevier Inc.

Inhibition of protein interactions with the beta(2) sliding clamp of Escherichia coli DNA polymerase III by peptides from beta(2)-binding proteins

The sliding clamp of the Escherichia coli replisome is now understood to interact with many proteins involved in DNA synthesis and repair. A universal interaction motif is proposed to be one mechanism by which those proteins bind the E. coli sliding clamp, a homodimer of the beta subunit, at a single site on the dimer. The numerous beta(2)-binding proteins have various versions of the consensus interaction motif, including a related hexameric sequence. To determine if the variants of the motif could contribute to the competition of the beta-binding proteins for the beta(2) site, synthetic peptides derived from the putative beta(2)-binding motifs were assessed for their abilities to inhibit protein-beta(2) interactions, to bind directly to beta(2), and to inhibit DNA synthesis in vitro. A hierarchy emerged, which was consistent with sequence similarity to the pentameric consensus motif, QL(S/D)LF, and peptides containing proposed hexameric motifs were shown to have activities comparable to those containing the consensus sequence. The hierarchy of peptide binding may be indicative of a competitive hierarchy for the binding of proteins to beta(2) in various stages or circumstances of DNA replication and repair.

Diversity in the disulfide folding pathways of cystine knot peptides

The plant cyclotides are a fascinating family of circular proteins that contain a cyclic cystine knot motif (CCK). This unique family was discovered only recently but contains over 50 known sequences to date. Various biological activities are associated with these peptides including antimicrobial and insecticidal activity. The knotted topology and cyclic nature of the cyclotides; poses interesting questions about the folding mechanisms and how the knotted arrangement of disulfide bonds is formed. Some studies have been performed on related inhibitor cystine knot (ICK) containing peptides, but little is known about the folding mechanisms of CCK molecules. We have examined the oxidative refolding and reductive unfolding of the prototypic member of the cyclotide family, kalata B1. Analysis of the rates of formation of the intermediates along the reductive unfolding pathway highlights the stability conferred by the cystine knot motif. Significant differences are observed between the folding of kalata B1 and an acyclic cystine knot protein, EETI-II, suggesting that the circular backbone has a significant influence in directing the folding pathway.

Increased adjuvant activity of minimal CD8 T cell peptides incorporated into lipid-core-peptides

A problem facing the use of subunit peptide and protein vaccines is their inability to stimulate protective immune responses. Many different approaches have been utilized to overcome this inefficient immune activation. The approach we have taken is to modify the vaccine antigen so that it now has adjuvant properties. To do this, multiple copies of minimal CD8 T cell epitopes were attached to a poly lysine lipid core. These constructs are known as lipid-core-peptides (LCP). The research presented here examines the adjuvant activity of LCP. Using mouse models, we were able to show that LCP were indeed able to activate antigen-presenting cells in vitro and to activate cytotoxic T-cell responses in vivo. More importantly, LCP were able to stimulate the development of a protective antitumour immune response.

A safety catch linker for Fmoc-based assembly of constrained cyclic peptides

A new safety-catch linker for Fmoc solid-phase peptide synthesis of cyclic peptides is reported. The linear precursors were assembled on a tert-butyl protected catechol derivative using optimized conditions for Fmoc-removal. After activation of the linker using TFA, neutralization of the N-terminal amine induced cyclization with concomitant cleavage from the resin yielding the cyclic peptides in DMF solution. Several constrained cyclic peptides were synthesized in excellent yields and purities. Copyright (c) 2005 European Peptide Society and John Wiley & Sons, Ltd.

In vitro and in silico analysis of signal peptides from the human blood fluke, Schistosoma mansoni

Proteins secreted by and anchored on the surfaces of parasites are in intimate contact with host tissues. The transcriptome of infective cercariae of the blood fluke, Schistosoma mansoni, was screened using signal sequence trap to isolate cDNAs encoding predicted proteins with an N-terminal signal peptide. Twenty cDNA fragments were identified, most of which contained predicted signal peptides or transmembrane regions, including a novel putative seven-transmembrane receptor and a membrane-associated mitogen-activated protein kinase. The developmental expression pattern within different life-cycle stages ranged from ubiquitous to a transcript that was highly upregulated in the cercaria. A bioinformatics-based comparison of 100 signal peptides from each of schistosomes, humans, a parasitic nematode and Escherichia coli showed that differences in the sequence composition of signal peptides, notably the residues flanking the predicted cleavage site, might account for the negative bias exhibited in the processing of schistosome signal peptides in mammalian cells. (c) 2005 Federation of European Microbiological Societies. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Exploiting novel cell cycle targets in the development of anticancer agents

In this review we provide a brief background on the cell cycle and then focus on two novel and emerging areas of cell cycle research that may prove to have significant relevance to the development of novel anticancer agents. In particular, we review the emerging evidence to suggest that histone deacetylase inhibitors may possess cancer cell-specific cytotoxicity due to their ability to target a novel G2/M checkpoint. We also review the recent literature supporting the proposition that inhibition of E2F activity in epithelial cancer cells may prove to be a useful differentiation therapy that operates via cell cycle-dependent and cell cycle-independent mechanisms.