Projet ANR-11-JS07-0015 – CHEM-CRYPTIDASES : Design rationnel et synthèse d'outils pour l'exploration par chemo-biologie des protéases à crypte
Programme : JCJC - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (JCJC SIMI 7)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Rebecca Deprez-Poulain (INSTITUT PASTEUR DE LILLE)
Partenaires : Médicaments et Molécules pour Agir sur les Systèmes Vivants
Montant : 150000.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 24 mois
Résumé : Explorer le rôle de Insulin-Degrading Enzyme, prototype des cryptidasesConcevoir, synthétiser et évaluer de petites molécules modulatrices de l'Insulin-Degrading Enzyme, une protéine à la croisée de la maladie d'Alzheimer et du Diabète.
Dénouer les rôles de la cryptidase Insulin-Degrading Enzyme.La maladie d’Alzheimer est un désordre neuro-dégénératif dévastateur qui concerne 20 millions de personnes. Elle est entre autres caractérisée par une accumulation de dépôts amyloides menant à la perte de neurones, un déficit cognitif et finalement la mort. La compréhension du mécanisme d’accumulation pathologique dans le cerveau est cruciale. Récemment, les metalloprotéases, comme la cryptidase Insulin-Degrading Enzyme (IDE), impliquées dans la dégradation du peptide amyloide ont été découvertes. Ainsi, la modulation de cette enzyme pourrait mener à de nouvelles stratégies thérapeutiques. Le diabète est une maladie métabolique majeure qui affecte plus de 300 millions de personnes. Le but global de la plupart des thérapies actuelles vise à améliorer la signalisation de l’insuline. Théoriquement, un inhibiteur de l’Insulin-Degrading Enzyme permettrait d’aboutir aux mêmes résultats. Malgré un demi-siècle de recherche, le développement d’inhibiteurs n’a pas été abordé. Notre objectif est de concevoir des sondes chimiques pour explorer le rôle de cette enzyme dans ces deux pathologies, en prenant en compte la structure particulière de cette protéine.
Méthodes pour concevoir et caractériser des modulateurs (sondes) de l’Insulin-Degrading Enzyme.L’Insulin-Degrading Enzyme (IDE) hydrolyse de nombreux substrats et est à la croisée de plusieurs chemins métaboliques. Afin d’obtenir des sondes utilisables pour dénouer les rôles de l’IDE dans différents systèmes biologiques, nous concevons et synthétisons des composés qui modulent de manière substrat-dépendante l’activité de l’enzyme. Un point important est donc la mesure de la spécificité de nos composés vis-à-vis de tous ses substrats. Aussi, nous caractérisons l’activité de nos composés sur un panel de métalloproteéses et optimisons leurs propriétés physico-chimiques, leur stabilité métabolique et leur biodisponibilité.Nous concevons 2 séries de composés, l’une de ligands-double obtenue par criblage et l’autre obtenue par in situ click chemistry. Leur liaison à l’enzyme est déterminée par cristallographie RX et par Résonance Magnétique Nucléaire basée sur le ligand.  Pour identifier les meilleures sondes pharmacologiques, nous synthétisons et testons environ 100 composés. Aussi, des tests cellulaires doivent être développés pour asseoir l’activité des composés dans un système complexe. Les meilleures sondes sont ensuite testées dans un modèle pathologique animal.
Résumé de la soumission : Les cryptidases sont des protéases à Zinc qui encapsulent leur substrat dans une grande cavité interne appelée “crypte”, avant hydrolyse. Les membres de cette famille diffèrent les uns des autres par la forme, la taille et la capacité de reconnaissance de substrat de cette crypte. Des membres de cette petite famille d’enzymes se retrouvent dans de nombreux organismes vivants comme les plantes, les bactéries et les animaux.  L’Insulin-degrading enzyme (IDE) est le prototype de cette famille de proteases. Elle hydrolyse de nombreux polypeptides différents impliqués dans plusieurs voies de signalisation : le peptide beta amyloide, l’insuline, le glucagon, l’IGF-II, l’ubiquitine,… Bien que cette enzyme soit ubiquitaire et connue depuis longtemps, et que sa structure tridimensionnelle ait été résolue avec plusieurs substrats, ses rôles restent à découvrir. L’objectif de ce projet de chemo-biologie monté à l’Institut Pasteur de Lille, est de concevoir et synthétiser des sondes moléculaires qui modulent la spécificité de substrat de IDE. Les molécules seront   conçues en utilisant les données structurales déjà obtenues, la modélisation moléculaires et un raisonnement de chimie médicinale. Le projet se basera sur les résultats préliminaires de relations structure-activité  déjà obtenus la responsable de projet. En particulier, son équipe exploitera des séries chimiques qui se lient au site catalytique mais aussi à d’autres positions dans la crypte, incluant un exosite essentiel pour la reconnaissance des substrats. Les modifications structurales envisagées viseront à améliorer la liaison aux surfaces protéiques mais aussi au remplissage du volume de la crypte.Le but est d’obtenir plusieurs composes puissants avec des profils d’inhibition/activation et des proprieties physico-chimiques pour une utilisation dans des systèmes biologiques complexes ( essais en cellules ou in vivo). Les sondes seront utiles aux biologistes pour disséquer les rôles multiples de Ide dans différents systèmes biologiques. Plus généralement, ce concept et cette méthodologie pourraient être appliqués à d’autres cryptidases comme la Presequence peptidase découverte récemment.
Résultats : Ce projet a permis d’optimiser les premiers ligands doubles de la cryptidase IDE. Un test par fluorescence a été développé pour suivre l’hydrolyse du peptide amyloide et de l’insuline. La cristallographie et la RMN ont fourni le mode de liaison des composés. Des tests sur cellules  pancréatiques, musculaires ou neuronales ont permis de mesurer l’effet des sondes dans des modèles complexes. Enfin, nous avons identifié le premier pan-inhibiteur drug-like de l’IDE. Il a été évalué dans un modèle in vivo de tolérance au glucose permettant ainsi d’éclairer le rôle d’IDE dans le diabète.
Perspectives : Ce projet donnera des outils de chemical biology innovants pour comprendre les moyens de moduler une cryptidase comme l’Insulin-Degrading Enzyme. Une intégration de toutes les données (structurales, in vitro, cellulaires) permettra aux biologistes de choisir la meilleur sonde pour évaluer in vitro et in vivo la meilleure stratégie pour l’utilisation thérapeutique des modulateurs d’IDE dans le diabète ou la maladie d’Alzheimer.
Publications et brevets : Nous avons publié une méthode originale de synthèse des benzimidazoles (Tet Lett, 53, 2012, 2440-2443). Ce projet a mené à 2 autres publications : mode de liaison original des premiers dual-site ligands (EJMC 2014, 79, 184-193); et relations structure-activité et propriétés pharmacocinétiques (EJMC 2015,90,547-567). Un autre article décrivant la découverte par in situ click-chemistry et effet in vivo des premiers inhibiteurs dirigés contre le site catalytique d’IDE est en cours de révision.