Structural determinants involved in the activation and regulation of G protein-coupled receptors: lessons from the alpha1-adrenegic receptor subtypes.

The aim of a large number of studies on G protein-coupled receptors was centered on understanding the structural basis of their main functional properties. Here, we will briefly review the results obtained on the alpha1-adrenergic receptor subtypes belonging to the rhodopsin-like family of receptors. These findings contribute, on the one hand, to further understand the molecular basis of adrenergic transmission and, on the other, to provide some generalities on the structure-functional relationship of G protein-coupled receptors.

Proinflammatory activity of cell-wall constituents from gram-positive bacteria.

Innate immunity reacts to conserved bacterial molecules. The outermost lipopolysaccharide (LPS) of Gram-negative organisms is highly inflammatory. It activates responsive cells via specific CD14 and toll-like receptor-4 (TLR4) surface receptor and co-receptors. Gram-positive bacteria do not contain LPS, but carry surface teichoic acids, lipoteichoic acids and peptidoglycan instead. Among these, the thick peptidoglycan is the most conserved. It also triggers cytokine release via CD14, but uses the TLR2 co-receptor instead of TLR4 used by LPS. Moreover, whole peptidoglycan is 1000-fold less active than LPS in a weight-to-weight ratio. This suggests either that it is not important for inflammation, or that only part of it is reactive while the rest acts as ballast. Biochemical dissection of Staphylococcus aureus and Streptococcus pneumoniae cell walls indicates that the second assumption is correct. Long, soluble peptidoglycan chains (approximately 125 kDa) are poorly active. Hydrolysing these chains to their minimal unit (2 sugars and a stem peptide) completely abrogates inflammation. Enzymatic dissection of the pneumococcal wall generated a mixture of highly active fragments, constituted of trimeric stem peptides, and poorly active fragments, constituted of simple monomers and dimers or highly polymerized structures. Hence, the optimal constraint for activation might be 3 cross-linked stem peptides. The importance of structural constraint was demonstrated in additional studies. For example, replacing the first L-alanine in the stem peptide with a D-alanine totally abrogated inflammation in experimental meningitis. Likewise, modifying the D-alanine decorations of lipoteichoic acids with L-alanine, or deacylating them from their diacylglycerol lipid anchor also decreased the inflammatory response. Thus, although considered as a broad-spectrum pattern-recognizing system, innate immunity can detect very subtle differences in Gram-positive walls. This high specificity underlines the importance of using well-characterized microbial material in investigating the system.

Cooperation of breast cancer proteins PALB2 and piccolo BRCA2 in stimulating homologous recombination.

Inherited mutations in human PALB2 are associated with a predisposition to breast and pancreatic cancers. PALB2's tumor-suppressing effect is thought to be based on its ability to facilitate BRCA2's function in homologous recombination. However, the biochemical properties of PALB2 are unknown. Here we show that human PALB2 binds DNA, preferentially D-loop structures, and directly interacts with the RAD51 recombinase to stimulate strand invasion, a vital step of homologous recombination. This stimulation occurs through reinforcing biochemical mechanisms, as PALB2 alleviates inhibition by RPA and stabilizes the RAD51 filament. Moreover, PALB2 can function synergistically with a BRCA2 chimera (termed piccolo, or piBRCA2) to further promote strand invasion. Finally, we show that PALB2-deficient cells are sensitive to PARP inhibitors. Our studies provide the first biochemical insights into PALB2's function with piBRCA2 as a mediator of homologous recombination in DNA double-strand break repair.

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.

Développement de modèles prédictifs de la toxicocinétique de substances organiques

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain.

Étude structure/fonction des cotransporteurs Na+/glucose

Cette thèse porte sur l’étude de la relation entre la structure et la fonction chez les cotransporteurs Na+/glucose (SGLTs). Les SGLTs sont des protéines membranaires qui se servent du gradient électrochimique transmembranaire du Na+ afin d’accumuler leurs substrats dans la cellule. Une mise en contexte présentera d’abord un bref résumé des connaissances actuelles dans le domaine, suivi par un survol des différentes techniques expérimentales utilisées dans le cadre de mes travaux. Ces travaux peuvent être divisés en trois projets. Un premier projet a porté sur les bases structurelles de la perméation de l’eau au travers des SGLTs. En utilisant à la fois des techniques de modélisation moléculaire, mais aussi la volumétrie en voltage imposé, nous avons identifié les bases structurelles de cette perméation. Ainsi, nous avons pu identifier in silico la présence d’une voie de perméation passive à l’eau traversant le cotransporteur, pour ensuite corroborer ces résultats à l’aide de mesures faites sur le cotransporteur Na/glucose humain (hSGLT1) exprimé dans les ovocytes. Un second projet a permis d’élucider certaines caractéristiques structurelles de hSGLT1 de par l’utilisation de la dipicrylamine (DPA), un accepteur de fluorescence dont la répartition dans la membrane lipidique dépend du potentiel membranaire. L’utilisation de la DPA, conjuguée aux techniques de fluorescence en voltage imposé et de FRET (fluorescence resonance energy transfer), a permis de démontrer la position extracellulaire d’une partie de la boucle 12-13 et le fait que hSGLT1 forme des dimères dont les sous-unités sont unies par un pont disulfure. Un dernier projet a eu pour but de caractériser les courants stationnaires et pré-stationaires d’un membre de la famille des SGLTs, soit le cotransporteur Na+/myo-inositol humain hSMIT2 afin de proposer un modèle cinétique qui décrit son fonctionnement. Nous avons démontré que la phlorizine inhibe mal les courants préstationnaires suite à une dépolarisation, et la présence de courants de fuite qui varient en fonction du temps, du potentiel membranaire et des substrats. Un algorithme de recuit simulé a été mis au point afin de permettre la détermination objective de la connectivité et des différents paramètres associés à la modélisation cinétique.

Développement et radiosynthèse de ligands du récepteur tyrosine kinase neurotrophique type 2 (TrkB) marqués aux carbone-11 et fluor-18 pour l’imagerie cérébrale par tomographie d’émission de positons

Ce mémoire présente mes travaux ayant menés au développement d’une première génération de radioligands marqués au fluor-18 (t1/2 = 110 min) et au carbone-11 (t1/2 = 20.4 min) destinés à l’imagerie cérébrale in vivo du récepteur tyrosine kinase neurotrophique de type 2 (TrkB) en tomographie par émission de positons (TEP). Ces travaux reposent sur l’identification récente de ligands de TrkB non peptidiques à hautes affinités dérivés du 7,8-dihydroxyflavone. La synthèse d’une série de dérivés du 7,8-dihydroxyflavone non-radioactifs de même que des précuseurs à l’incorporation du fluro-18 et du carbone-11 a d’abord été effectuée. Partant des précurseurs adéquats synthétisés, la radiosynthèse de deux radioligands, l’un marqué au fluor-18 et l’autre au carbone-11, a été développée. Ces radiosynthèses reposent respectivement sur une 18F-radiofluorination nucléophile aromatique nouvelle et hautement efficace et sur une 11C-méthylation N-sélective. Les radiotraceurs de TrkB ainsi obtenus ont ensuite été évalués in vitro en autoradiographie et in vivo en tant que traceurs TEP dans des rats. L’évaluation des propriétés physico-chimique de même que de la stabilité in vitro des radiotraceurs sont présentées. Partant d’une série d’analogues cristallisés de ces flavones synthétiques, une étude de relation structure-activité a été menée. La combinaison de cette étude, de pair avec l’évaluation in vivo de la première génération de radiotraceurs de TrkB a aussi permis d’investiguer les pharmacophores nécessaires à l’affinité de ces ligands de même que d’identifier des fragments structurels associés au métabolisme des radiotraceurs. La radiosynthèse d’un troisième radioligand de TrkB et son évaluation TEP in vivo de même que la mise en lumière des modifications structurelles utiles au développement d’une seconde génération de radioligands de TrkB avec des propriétés optimisées pour fin d’imagerie TEP sont aussi détaillés.

Quantitative structure-activity relationships for a series of inhibitors of cruzain from Trypanosoma cruzi: Molecular modeling, CoMFA and CoMSIA studies

Human parasitic diseases are the foremost threat to human health and welfare around the world. Trypanosomiasis is a very serious infectious disease against which the currently available drugs are limited and not effective. Therefore, there is an urgent need for new chemotherapeutic agents. One attractive drug target is the major cysteine protease from Trypanosoma cruzi, cruzain. In the present work, comparative molecular field analysis (CoMFA) and comparative molecular similarity indices analysis (CoMSIA) studies were conducted on a series of thiosemicarbazone and semicarbazone derivatives as inhibitors of cruzain. Molecular modeling studies were performed in order to identify the preferred binding mode of the inhibitors into the enzyme active site, and to generate structural alignments for the three-dimensional quantitative structure-activity relationship (3D QSAR) investigations. Statistically significant models were obtained (CoMFA. r(2) = 0.96 and q(2) = 0.78; CoMSIA, r(2) = 0.91 and q(2) = 0.73), indicating their predictive ability for untested compounds. The models were externally validated employing a test set, and the predicted values were in good agreement with the experimental results. The final QSAR models and the information gathered from the 3D CoMFA and CoMSIA contour maps provided important insights into the chemical and structural basis involved in the molecular recognition process of this family of cruzain inhibitors, and should be useful for the design of new structurally related analogs with improved potency. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Classical and fragment-based hologram structure-activity relationships for a series of analgesic cyclic imides

Cyclic imides have been widely employed in drug design research due to their multiple pharmacological and biological properties. In the present study, two-dimensional quantitative structure-activity relationship (2D QSAR) studies were conducted on a series of potent analgesic cyclic imides using both classical and hologram QSAR (HQSAR) methods, yielding significant statistical models (classical QSAR, q(2) = 0.80; HQSAR, q(2) = 0.84). The models were then used to evaluate an external data test, and the predicted values were in good agreement with the experimental results, indicating their consistency for untested compounds.

Calculating Flash Point Numbers from Molecular Structure: An Improved Method for Predicting the Flash Points of Acyclic Alkanes

We report a novel method for calculating flash points of acyclic alkanes from flash point numbers, N(FP), which can be calculated from experimental or calculated boiling point numbers (Y(BP)) with the equation N(FP) = 1.020Y(BP) - 1.083 Flash points (FP) are then determined from the relationship FP(K) = 23.369N(FP)(2/3) + 20.010N(FP)(1/3) + 31.901 For it data set of 102 linear and branched alkanes, the correlation of literature and predicted flash points has R(2) = 0.985 and an average absolute deviation of 3.38 K. N(FP) values can also be estimated directly from molecular structure to produce an even closer correspondence of literature and predicted FP values. Furthermore, N(FP) values provide a new method to evaluate the reliability of literature flash point data.

Relation between antioxidant activity and electronic structure of Phenols

We describe a new physicochemical descriptor of the antioxidant activity of phenols, the energy difference between the two highest occupied molecular orbitals, which we believe will improve quantitative structure-activity relationship studies about these compounds. (C) 2003 Wiley Periodicals, Inc.

In vitro cytotoxicity of some natural and semi-synthetic isocoumarins from Paepalanthus bromelioides

Numerous natural compounds have a potential for therapeutic applications, but may have to be chemically modified to alter toxic side effects. We investigated structural parameters that could affect the cytotoxicity of isocoumarins similar to 9,10-dihydroxy-5,7-dimethoxy-1H-naphtho(2,3c)pyran-1-one (paepalantine 1). Paepalantine 1 has antimicrobial activity, as well as significant in vitro cytotoxic effects in the McCoy cell line. Two other natural and two semi-synthetic isocoumarins with similar structures obtained from the capitula of Paepalanthus bromelioides were tested on the same cell line by the neutral red assay. Substitution of the 9 and/or 10-OH group made these compounds less cytotoxic.

Kinetics and crystal structure of human purine nucleoside phosphorylase in complex with 7-methyl-6-thio-guanosine

Purine nucleoside phosphorylase (PNP) catalyzes the reversible phosphorolysis of nucleosides and deoxynucleosides, generating ribose 1-phosphate and the purine base, which is an important step of purine catabolism pathway. The lack of such an activity in humans, owing to a genetic disorder, causes T-cell impairment, and drugs that inhibit this enzyme may have the potential of being utilized as modulators of the immunological system to treat leukemia, autoimmune diseases, and rejection in organ transplantation. Here, we describe kinetics and crystal structure of human PNP in complex with 7-methyl-6-thio-guanosine, a synthetic substrate, which is largely used in activity assays. Analysis of the structure identifies different protein conformational changes upon ligand binding, and comparison of kinetic and structural data permits an understanding of the effects of atomic substitution on key positions of the synthetic substrate and their consequences to enzyme binding and catalysis. Such knowledge may be helpful in designing new PNP inhibitors. © 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Glycosomal Targets for Anti-Trypanosomatid Drug Discovery

Glycosomes are peroxisome-related organelles found in all kinetoplastid protists, including the human pathogenic species of the family Trypanosomatidae: Trypanosoma brucei, Trypanosoma cruzi and Leishmania spp. Glycosomes are unique in containing the majority of the glycolytic/gluconeogenic enzymes, but they also possess enzymes of several other important catabolic and anabolic pathways. The different metabolic processes are connected by shared co-factors and some metabolic intermediates, and their relative importance differs between the parasites or their distinct life-cycle stages, dependent on the environmental conditions encountered. By genetic or chemical means, a variety of glycosomal enzymes participating in different processes have been validated as drug targets. For several of these enzymes, as well as others that are likely crucial for proliferation, viability or virulence of the parasites, inhibitors have been obtained by different approaches such as compound libraries screening or design and synthesis. The efficacy and selectivity of some initially obtained inhibitors of parasite enzymes were further optimized by structure-activity relationship analysis, using available protein crystal structures. Several of the inhibitors cause growth inhibition of the clinically relevant stages of one or more parasitic trypanosomatid species and in some cases exert therapeutic effects in infected animals. The integrity of glycosomes and proper compartmentalization of at least several matrix enzymes is also crucial for the viability of the parasites. Therefore, proteins involved in the assembly of the organelles and transmembrane passage of substrates and products of glycosomal metabolism offer also promise as drug targets. Natural products with trypanocidal activity by affecting glycosomal integrity have been reported.

The correlation between electronic structure and antimalarial activity of tetrahydropyridines

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)