Controlling protein association and subcellular localization with a synthetic ligand that induces heterodimerization of proteins.

Extracellular growth and differentiation factors induce changes in gene expression in the nucleus by initiating a series of protein associations that alter the subcellular localization of intracellular signaling proteins. Initial events involve receptor homo- or heterodimerization and subsequent recruitment of cytosolic signaling proteins to the inner leaflet of the plasma membrane. Intermediate events involve the translocation of proteins into the nucleus. Late events involve the recruitment of transcriptional activators to the vicinity of specific genes in the nucleus, resulting in increased gene transcription. The ability to induce signals at each of these three phases of signaling pathways is illustrated by the use of a heterodimeric chemical inducer of dimerization that causes a proximal relationship between two different target proteins.

Rôle du tissu adipeux dans l’effet cardioprotecteur du EP 80317, un ligand sélectif du récepteur CD36

Le récepteur CD36 est impliqué dans le transport des acides gras libres non estérifiés (AGNE) au niveau des tissus cardiaque et périphériques. Les dommages tissulaires et la dysfonction cardiaque observés après une ischémie-reperfusion (I/R) du myocarde sont en partie liés à l’internalisation et au métabolisme oxydatif accrus des AGNE dont la concentration sanguine augmente transitoirement après un infarctus du myocarde, contrairement à ce qui est observé chez des souris déficientes en CD36. Nous avons émis l’hypothèse selon laquelle le EP 80317, un ligand synthétique du récepteur CD36, exercerait un effet cardioprotecteur contre les dommages induits par une ischémie transitoire du myocarde. Nos objectifs étaient 1) de vérifier l’effet cardioprotecteur du EP 80317 et 2) de définir son mécanisme, plus précisément de documenter l’effet du traitement sur le métabolisme lipidique. À cette fin, des souris de type sauvage ont été traitées par le EP 80317 (289 nmol/kg) par voie sous-cutanée pendant 14 jours avant d’être soumises à 30 minutes d’ischémie suivant la ligature de l’artère coronaire gauche descendante et de sa reperfusion pendant une période de 6 ou 48 heures. Le cœur et les tissus périphériques (foie, muscle squelettique et dépôts adipeux) ont été prélevés pour déterminer le profil de certains gènes impliqués dans la régulation du métabolisme lipidique. Nos travaux ont montré que l’effet cardioprotecteur d’un traitement préventif par le EP 80317 est associé à une augmentation transitoire du stockage des triglycérides et d’une réduction des AGNE circulants.

Structural Insights into Human Peroxisome Proliferator Activated Receptor Delta (PPAR-Delta) Selective Ligand Binding

Peroxisome proliferator activated receptors (PPARs delta, alpha and gamma) are closely related transcription factors that exert distinct effects on fatty acid and glucose metabolism, cardiac disease, inflammatory response and other processes. Several groups developed PPAR subtype specific modulators to trigger desirable effects of particular PPARs without harmful side effects associated with activation of other subtypes. Presently, however, many compounds that bind to one of the PPARs cross-react with others and rational strategies to obtain highly selective PPAR modulators are far from clear. GW0742 is a synthetic ligand that binds PPAR delta more than 300-fold more tightly than PPAR alpha or PPAR gamma but the structural basis of PPAR delta: GW0742 interactions and reasons for strong selectivity are not clear. Here we report the crystal structure of the PPAR delta:GW0742 complex. Comparisons of the PPAR delta:GW0742 complex with published structures of PPARs in complex with alpha and gamma selective agonists and pan agonists suggests that two residues (Val312 and Ile328) in the buried hormone binding pocket play special roles in PPAR delta selective binding and experimental and computational analysis of effects of mutations in these residues confirms this and suggests that bulky substituents that line the PPAR alpha and gamma ligand binding pockets as structural barriers for GW0742 binding. This analysis suggests general strategies for selective PPAR delta ligand design.

ALLERGEN SENSITIZATION AND IMMUNOMODULATION BY SYNTHETIC LIGANDS, PUL-042, IN AN ALLERGEN-INDUCED ASTHMA MURINE MODEL

Allergen-induced asthma is the leading form of asthma and a chronic condition worldwide. Common allergens are known to contribute to the pathogenesis of this disease. Murine models of allergic asthma have mostly used an intraperitoneal route of sensitization (not airway) to study this disease. Allergic asthma pathophysiology involves the activation of TH2-specific cells, which triggers production of IgE antibodies, the up-regulation of TH2-specific cytokines (i.e. IL-4, IL-5, IL-9 and IL-13), increased airway eosinophilia, and mucin hypersecretion. Although there are several therapeutics currently treating asthmatic patients, some of these treatments can result in drug tolerance and may be linked to increased mortality. CpG oligodeoxynucleotides (ODNs) is a synthetic ligand that targets Toll-like Receptor (TLR) 9. It has been evaluated as a therapeutic agent for the treatment of cancer, infectious diseases, and for treating allergy and asthma. PUL-042 is also a synthetic TLR ligand and is composed of two agonists against TLR2/6 heterodimer and TLR9. Previous studies have evaluated PUL-042 for its ability to confer resistance against bacterial and viral lung infection. These findings, combined with studies performed using CpG ODNs, led to speculation that PUL-042 dampens the immune response in allergen-induced asthma. My thesis research investigated airway route sensitization and airway delivery of PUL-042 to evaluate its effects in reducing an allergen-induced asthma phenotype in a murine model. The results of this study contribute to the foundation for future investigations to evaluate the efficacy of PUL-042 as a novel therapy in allergic-asthma disease.

Effet du CP-3(iv), un ligand du récepteur CD36, sur le stress oxydatif suite à une ischémie cardiaque transitoire chez la souris

Le récepteur éboueur CD36 facilite l’internalisation des acides gras libres non estérifiés (AGNE) au niveau des tissus cardiaque et périphériques. Lors d’une ischémie-reperfusion du myocarde (MI/R), les dommages produits sont en partie liés à l’internalisation des AGNE et à la production d’espèces réactives de l’oxygène, contrairement à ce qui est observé chez des souris déficientes en CD36 (CD36-/-). Nous avons émis l’hypothèse selon laquelle le CP-3(iv), un ligand synthétique du récepteur CD36, exercerait un effet cardioprotecteur en réduisant la taille de la zone myocardique infarcie lors d’une ischémie transitoire du myocarde. Nos objectifs étaient 1) de déterminer l’effet cardioprotecteur du CP-3(iv) et 2) de définir son mécanisme. Pour cela, des études in vivo et ex vivo ont été faites. Des souris de type sauvage ont été traitées avec le CP-3(iv) (289 nmol/kg) par voie sous-cutanée pendant 14 jours avant d’être soumises à 30 minutes d’ischémie suivant la ligature de l’artère coronaire gauche descendante et de sa reperfusion pendant une période de 6 ou 48 heures. De plus, des coeurs isolés de souris ont été perfusés 30 minutes, suivi de 40 minutes à faible débit (10%) et de 30 minutes de reperfusion pendant laquelle le coeur est perfusé avec le CP-3(iv) à une concentration de 10-6 M. Nos travaux ont montré que l’effet cardioprotecteur d’un traitement préventif par le CP-3(iv) permet de diminuer la taille de l’infarctus et préserve l’hémodynamie cardiaque de façon dépendante du CD36 puisque cet effet est non visible chez les souris CD36-/-. De plus, le CP-3(iv) exerce non seulement un effet systémique, mais aussi un effet cardioprotecteur direct sur le coeur isolé.

Effet du CP-3(iv), un ligand du récepteur CD36, sur le stress oxydatif suite à une ischémie cardiaque transitoire chez la souris

Le récepteur éboueur CD36 facilite l’internalisation des acides gras libres non estérifiés (AGNE) au niveau des tissus cardiaque et périphériques. Lors d’une ischémie-reperfusion du myocarde (MI/R), les dommages produits sont en partie liés à l’internalisation des AGNE et à la production d’espèces réactives de l’oxygène, contrairement à ce qui est observé chez des souris déficientes en CD36 (CD36-/-). Nous avons émis l’hypothèse selon laquelle le CP-3(iv), un ligand synthétique du récepteur CD36, exercerait un effet cardioprotecteur en réduisant la taille de la zone myocardique infarcie lors d’une ischémie transitoire du myocarde. Nos objectifs étaient 1) de déterminer l’effet cardioprotecteur du CP-3(iv) et 2) de définir son mécanisme. Pour cela, des études in vivo et ex vivo ont été faites. Des souris de type sauvage ont été traitées avec le CP-3(iv) (289 nmol/kg) par voie sous-cutanée pendant 14 jours avant d’être soumises à 30 minutes d’ischémie suivant la ligature de l’artère coronaire gauche descendante et de sa reperfusion pendant une période de 6 ou 48 heures. De plus, des coeurs isolés de souris ont été perfusés 30 minutes, suivi de 40 minutes à faible débit (10%) et de 30 minutes de reperfusion pendant laquelle le coeur est perfusé avec le CP-3(iv) à une concentration de 10-6 M. Nos travaux ont montré que l’effet cardioprotecteur d’un traitement préventif par le CP-3(iv) permet de diminuer la taille de l’infarctus et préserve l’hémodynamie cardiaque de façon dépendante du CD36 puisque cet effet est non visible chez les souris CD36-/-. De plus, le CP-3(iv) exerce non seulement un effet systémique, mais aussi un effet cardioprotecteur direct sur le coeur isolé.

Évaluation du rôle du récepteur CD36 comme cible thérapeutique potentielle dans le traitement de la maladie cardiaque ischémique

La maladie cardiaque ischémique, la plus commune des maladies qui affectent le cœur, est encore aujourd’hui une importante cause de décès dans les pays industrialisés. Une réponse cardio-métabolique inflammatoire à un changement aigu initié par une modification du métabolisme énergétique du cœur ischémique est accentuée après que l’apport en oxygène ait été rétabli. Parmi les altérations délétères dans le myocarde qui en résultent, sont inclus l’accumulation d’acides gras non estérifiés (AGNE) ainsi que leur oxydation au détriment de l’utilisation du glucose, ce qui amplifie la génération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS). Les tissus en périphérie du cœur tel que le tissu adipeux peuvent affecter l’étendue des blessures au myocarde par la relâche en circulation de substances bioactives comme les AGNE et l’adiponectine. Le CD36 est le principal facilitateur de l’entrée d’AGNE dans le cœur et les adipocytes et constitue une importante cible métabolique spécialement lors d’un stress d’ischémie-reperfusion (I/R). Il a été rapporté précédemment par notre groupe qu’un ligand synthétique et sélectif envers le CD36 exerce un effet protecteur puissant sur le système vasculaire. Cependant, aucune étude in vivo n’a rapporté d’effet cardioprotecteur de ligands sélectifs envers le CD36. Ainsi, ce projet visait à évaluer le rôle et possiblement l’effet cardioprotecteur de ligands sélectifs du récepteur CD36 sur la blessure au myocarde en I/R. Des souris CD36+/+ et CD36-/- ont été traitées quotidiennement avec le EP 80317, le CP-3(iv) ou le véhicule pendant 14 jours avant de subir la ligature temporaire de l’artère coronaire antérieure descendante gauche (LAD). Notre première étude a montré que le EP 80317 exerce un effet cardioprotecteur puissant tel que montré par la réduction de la surface des lésions et l’amélioration de la fonction cardiaque in vivo suivant la blessure au myocarde en I/R. De plus, le EP 80317 a réduit l’internalisation totale d’AGNE dans le myocarde, mesurée in vivo par l’imagerie métabolique cardiaque, en accord avec la diminution du niveau circulant d’AGNE. Une réduction de la lipolyse révélée par une perfusion de radiotraceur de palmitate et une augmentation du niveau d’expression de gènes adipogéniques et anti-lipolytiques appuient davantage l’effet du EP 80317 dans la prévention de la mobilisation délétère d’acides gras du tissu adipeux. Notre deuxième étude a investigué le mécanisme cardioprotecteur d’une nouvelle génération de ligands dotés d’une plus grande affinité de liaison envers le CD36. Cette étude a montré que le CP-3(iv) est aussi pourvu d’un puissant effet cardioprotecteur comme le montre la réduction de la taille de l’infarctus et l’amélioration de la fonction cardiaque post-I/R du myocarde qui est fonction d’une signalisation métabolique et anti-oxydante de l’adiponectine. En effet, l’augmentation des principales voies de signalisation régulant la sécrétion de l’adiponectine et des gènes antioxydants a été démontrée dans le tissu adipeux suivant l’I/R du myocarde et un traitement avec le CP-3(iv). L’activation de la protéine kinase B ou Akt dans le myocarde avec la diminution de la génération de ROS et de la signalisation de mort cellulaire appuient davantage le rôle cardioprotecteur du CP-3(iv) dans l’I/R du myocarde. En conclusion, le travail présenté dans cette thèse soutient qu’une signalisation du CD36 par le EP 80317 et le CP-3(iv) pourrait s’avérer être une nouvelle approche thérapeutique dans le traitement de la maladie cardiaque ischémique. Ces ligands synthétiques sélectifs envers le CD36 provoquent un effet salutaire sur le myocarde ischémique par le biais d’une amélioration du profil métabolique dans les premières heures de la reperfusion. Le EP 80317 réduit le niveau délétère d’AGNE et leur internalisation dans le cœur en situation d’excès, tandis que le CP-3(iv) augmente le niveau bénéfique d’adiponectine et son effet cardioprotecteur.

The role of heterodimerization between VEGFR-1 and VEGFR-2 in the regulation of endothelial cell homeostasis

VEGF-A activity is tightly regulated by ligand and receptor availability. Here we investigate the physiological function of heterodimers between VEGF receptor-1 (VEGFR-1; Flt-1) and VEGFR-2 (KDR; Flk-1) (VEGFR(1-2)) in endothelial cells with a synthetic ligand that binds specifically to VEGFR(1-2). The dimeric ligand comprises one VEGFR-2-specific monomer (VEGF-E) and a VEGFR-1-specific monomer (PlGF-1). Here we show that VEGFR(1-2) activation mediates VEGFR phosphorylation, endothelial cell migration, sustained in vitro tube formation and vasorelaxation via the nitric oxide pathway. VEGFR(1-2) activation does not mediate proliferation or elicit endothelial tissue factor production, confirming that these functions are controlled by VEGFR-2 homodimers. We further demonstrate that activation of VEGFR(1-2) inhibits VEGF-A-induced prostacyclin release, phosphorylation of ERK1/2 MAP kinase and mobilization of intracellular calcium from primary endothelial cells. These findings indicate that VEGFR-1 subunits modulate VEGF activity predominantly by forming heterodimer receptors with VEGFR-2 subunits and such heterodimers regulate endothelial cell homeostasis.

The binding of synthetic triiodo L-thyronine analogs to human transthyretin: Molecular basis of cooperative and non-cooperative ligand recognition

Transthyretin (TTR) is a tetrameric beta-sheet-rich transporter protein directly involved in human amyloid diseases. Several classes of small molecules can bind to TTR delaying its amyloid fibril formation, thus being promising drug candidates to treat TTR amyloidoses. In the present study, we characterized the interactions of the synthetic triiodo L-thyronine analogs and thyroid hormone nuclear receptor TR beta-selecfive agonists GC-1 and GC-24 with the wild type and V30M variant of human transthyretin (TTR). To achieve this aim, we conducted in vitro TTR acid-mediated aggregation and isothermal titration calorimetry experiments and determined the TTR:GC-1 and TTR:GC-24 crystal structures. Our data indicate that both GC-1 and GC-24 bind to TTR in a non-cooperative manner and are good inhibitors of TTR aggregation, with dissociation constants for both hormone binding sites (HBS) in the low micromolar range. Analysis of the crystal structures of TTRwt:GC-1(24) complexes and their comparison with the TTRwt X-ray structure bound to its natural ligand thyroxine (T4) suggests, at the molecular level, the basis for the cooperative process displayed by T4 and the non-cooperative process provoked by both GC-1 and GC-24 during binding to TTR. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

Synthetic, EPR spectroscopic, magnetic and X-ray crystallographic structural studies on copper(II) complexes of the tridentate N2S donor ligand formed from 6-methyl-2-formylpyridine and S-methyldithiocarbazate (Hmpsme)

New copper(II) complexes of general empirical formula, Cu(mpsme)X center dot xCH(3)COCH(3) (mpsme = anionic form of the 6-methyl-2-formylpyridine Schiff base of S-methyldithiocarbazate; X = Cl, N-3, NCS, NO3; x = 0, 0.5) have been synthesized and characterized by IR, electronic, EPR and susceptibility measurements. Room temperature mu(eff) values for the complexes are in the range 1.75-2.1 mu(beta) typical of uncoupled or weakly coupled Cu(II) centres. The EPR spectra of the [Cu(mpsme)X] (X = Cl, N-3, NO3, NCS) complexes reveal a tetragonally distorted coordination sphere around the mononuclear Cu(II) centre. We have exploited second derivative EPR spectra in conjunction with Fourier filtering (sine bell and Hamming functions) to extract all of the nitrogen hyperfine coupling matrices. While the X-ray crystallography of [Cu(mpsme)NCS] reveals a linear polymer in which the thiocyanate anion bridges the two copper(II) ions, the EPR spectra in solution are typical of a magnetically isolated monomeric Cu(II) centres indicating dissociation of the polymeric chain in solution. The structures of the free ligand, Hmpsme and the {[Cu(mpsme)NO3] center dot 0.5CH(3)COCH(3)}(2) and [Cu(mpsme)NCS](n) complexes have been determined by X-ray diffraction. The {[Cu(mpsme)NO3]0.5CH(3)COCH(3)}(2) complex is a centrosymmetric dimer in which each copper atom adopts a five-coordinate distorted square-pyramidal geometry with an N2OS2 coordination environment, the Schiff base coordinating as a uninegatively charged tridentate ligand chelating through the pyridine and azomethine nitrogen atoms and the thiolate, an oxygen atom of a unidentate nitrato ligand and a bridging sulfur atom from the second ligand completing the coordination sphere. The [Cu(mpsme)(NCS)](n) complex has a novel staircase-like one dimensional polymeric structure in which the NCS- ligands bridge two adjacent copper(II) ions asymmetrically in an end-to-end fashion providing its nitrogen atom to one copper and the sulfur atom to the other. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Embracing ligands. A synthetic strategy towards new nitrogen-thioether multidentate ligands and characterization of the cobalt(III) complexes

The synthesis of the hexadentate ligand 2,2,9,9-tetra(methyleneamine)-4,7-dithiadecane (EtN(4)S(2)amp) is reported. The ligand is of a type in which bifurcations of the chain occur at atoms other than donor atoms. The cobalt(III) complex [Co(EtN(4)S(2)amp)](3+) (1) was isolated and characterized. The synthetic methodology also results in a number of by-products, notably 2,9,9-tris(methyleneamine)-9-methylenehydroxy-4,7-dithiadecane (Et(HO)N(3)S(2)amp) and an eleven-membered pendant arm macrocyclic ligand 6,10-dimethyl-6,10-bis(methyleneamine)-1,4-dithia-8-azaacycloundec-7- ene (dmatue). The complexes [Co(Et(HO)N(3)S(2)amp)](3+) (2), in which the alcohol is coordinated to the metal ion, and [Co(dmatue)Cl](2+) (4) were isolated and characterized. Et(HO)N(3)S(2)amp also undergoes complexation with cobalt(III) to produce two isomers endo-[Co(Et(HO) N(3)S(2)amp)Cl](2+) (endo-3) and exo-[Co(Et(HO) N(3)S(2)amp)Cl](2+) (exo-3), both with an uncoordinated alcohol group. endo- 3 has the alcohol positioned cis, and exo-3 trans, to the sixth metal coordination site. Reaction of 1 with isobutyraldehyde, paraformaldehyde and base in dimethylformamide results in the encapsulated complex [Co(1,5,5,9,13,13-hexamethyl-18,21-dithia-3,7,11,15-tetraazabicyclo[7.7.6]docosa- 3,14-diene)](ClO4)(3) . 2H(2)O ([Co(Me(6)docosadieneN(4)S(2))](3+) ( 5). All complexes have been characterized by single crystal X-ray study. The low-temperature (11 K) absorption spectrum of 1 has been measured in Nafion films with spin-allowed (1)A(1g) --> T-1(1g) and (1)A(1g) --> T-1(2g) and spin forbidden (1)A(1g) --> T-3(1g) and (1)A(1g) --> T-3(2g) bands observed. The octahedral ligand-field parameters were determined (10Dq = 22570 cm(-1), B = 551 cm(-1); C = 3500 cm(-1)). For 5 10Dq and B were determined (20580 cm(-1); 516 cm(-1), respectively) and compared with those for similar expanded cavity complexes [Co(Me(8)tricosatrieneN(6))](3+) and [Co(Me(5)tricosatrieneN(6))](3+).

Cholesterol and sphingomyelin drive ligand-independent T-cell antigen receptor nanoclustering.

The T-cell antigen receptor (TCR) exists in monomeric and nanoclustered forms independently of antigen binding. Although the clustering is involved in the regulation of T-cell sensitivity, it is unknown how the TCR nanoclusters form. We show that cholesterol is required for TCR nanoclustering in T cells and that this clustering enhances the avidity but not the affinity of the TCR-antigen interaction. Investigating the mechanism of the nanoclustering, we found that radioactive photocholesterol specifically binds to the TCRβ chain in vivo. In order to reduce the complexity of cellular membranes, we used a synthetic biology approach and reconstituted the TCR in liposomes of defined lipid composition. Both cholesterol and sphingomyelin were required for the formation of TCR dimers in phosphatidylcholine-containing large unilamellar vesicles. Further, the TCR was localized in the liquid disordered phase in giant unilamellar vesicles. We propose a model in which cholesterol and sphingomyelin binding to the TCRβ chain causes TCR dimerization. The lipid-induced TCR nanoclustering enhances the avidity to antigen and thus might be involved in enhanced sensitivity of memory compared with naive T cells. Our work contributes to the understanding of the function of specific nonannular lipid-membrane protein interactions.

Enforced covalent trimerisation of soluble feline CD134 (OX40)-ligand generates a functional antagonist of feline immunodeficiency virus.

The feline immunodeficiency virus (FIV) targets activated CD4-positive helper T cells preferentially, inducing an AIDS-like immunodeficiency in its natural host species, the domestic cat. The primary receptor for FIV is CD134, a member of the tumour necrosis factor receptor superfamily (TNFRSF) and all primary viral strains tested to date use CD134 for infection. To investigate the effect of the natural ligand for CD134 on FIV infection, feline CD134L was cloned and expressed in soluble forms. However, in contrast to murine or human CD134L, soluble feline CD134L (sCD134L) did not bind to CD134. Receptor-binding activity was restored by enforced covalent trimerisation following the introduction of a synthetic trimerisation domain from tenascin (TNC). Feline and human TNC-CD134Ls retained the species-specificity of the membrane-bound forms of the ligand while murine TNC-CD134L displayed promiscuous binding to feline, human or murine CD134. Feline and murine TNC-CD134Ls were antagonists of FIV infection; however, potency was both strain-specific and substrate-dependent, indicating that the modulatory effects of endogenous sCD134L, or exogenous CD134Lbased therapeutics, may vary depending on the viral strain.