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VIH-1, l’agent étiologique du Syndrome de l’Immunodéficience Acquise, est un rétrovirus qui infecte les cellules immunitaires et détourne leur machinerie cellulaire pour se répliquer rapidement. Lors de l’infection, le génome ARN est rétrotranscrit en ADN par la transcriptase inverse virale (RT), puis l’insertion du génome proviral dans l’ADN de la cellule hôte est une étape obligatoire du cycle viral catalysée par l’enzyme virale Intégrase (IN). L’interaction de l’IN avec son cofacteur essentiel, la protéine nucléaire LEDGF/p75, dirige l’intégration à l’intérieur de gènes dans des régions fortement exprimées de la chromatine, ce qui permet la production efficace de nouveaux virions. Les Inhibiteurs Allostériques Intégrase-LEDGF (INLAIs) sont une nouvelle classe de molécules antirétrovirales se liant à l’IN au site de liaison de LEDGF/p75. Conçus pour inhiber compétitivement l’interaction protéine-protéine IN-LEDGF/p75, ils inhibent également les activités enzymatiques de l’Intégrase et augmentent son niveau de multimérisation.Nous avons étudié plusieurs nouvelles séries d’INLAIs de la société Mutabilis, et avons pu démontrer que ces molécules inhibent l’intégration, mais ont aussi un effet antirétroviral plus puissant et indépendant de LEDGF/p75 post-intégration au cours de la maturation des virions, qui conduit à la production de virus non infectieux, ayant une morphologie excentrique caractérisée par un défaut d’encapsidation du génome viral. Lors de l’infection de cellules par ces virus, le cycle viral s’arrête à l’étape de rétrotranscription du génome viral. Nous avons montré que ces virions contiennent pourtant un génome viral stable et fonctionnel, une RT active et l’ARNtLys3 qui sert d’amorce à la rétrotranscription, et ont également conservé leur immunoréactivité pour les lymphocytes B et T. En évaluant l’impact du polymorphisme de l’IN au voisinage du site de liaison, nous avons identifié le variant polymorphe Ala125, pour lequel l’INLAI MUT-A perd concomitamment son effet sur la maturation des virions et sur la multimérisation de l’IN, tandis qu’il inhibe aussi bien l’intégration et l’interaction IN-LEDGF, prouvant que l’effet tardif des INLAIs est associé à l’induction de la multimérisation de l’IN. Nous avons pu associer la multimérisation de l’IN à une déstabilisation du dimère par les INLAIs en analysant les co-structures de MUT-A avec les intégrases polymorphes. Les INLAIs, outre leur intérêt thérapeutique sont de remarquables réactifs qui ont permis de démontrer le rôle essentiel de l’intégrase à trois étapes clés du cycle viral du VIH-1 : la rétrotranscription, l’intégration et la maturation des virions. / HIV-1, the causative agent of AIDS, is a retrovirus that infects immune cells and hijacks their cell machinery to achieve rapid replication. In the course of infection, the RNA genome is reverse transcribed into DNA by the viral Reverse Transcriptase (RT) before the obligatory insertion of the proviral genome into the host cell DNA catalyzed by the viral enzyme Integrase (IN). The interaction of IN with its essential cofactor, the nuclear protein LEDGF/p75, targets integration within gene introns in highly transcribed chromatine regions, which allows efficient production of new virions. IN-LEDGF Allosteric Inhibitors (INLAIs) are a novel class of antiretroviral molecules binding IN at the LEDGF/p75-binding site. Designed to competitively inhibit IN-LEDGF/p75 protein-protein interaction, they are also capable of inhibiting IN enzymatic activities and raising the IN multimerization level.We studied several new INLAI series from the company Mutabilis. We could demonstrate that these molecules inhibit integration, but also have a more potent, LEDGF-independent, antiretroviral effect during virion maturation, resulting in the production of non-infectious virions. Virions produced upon INLAI treatment have an eccentric morphology characterized by an encapsidation defect of the viral genome, and lead to an infection block at reverse transcription. Yet, we showed that these virions package a stable and functional viral genome, an active RT and the tRNALys3 primer for reverse transcription, and also keep their immunoreactivity towards B- and T-cell lymphocytes. When evaluating the influence of polymorphism at the edge of the binding site, we identified the IN Ala125 polymorphic variant which causes the concomitant loss of MUT-A effect on virion maturation and IN multimerization, whereas inhibition of integration and IN-LEDGF interaction are maintained. This proves that INLAIs exert their late stage effect through induction of IN multimerization. We could associate IN multimerization to INLAI-induced dimer destabilization by analyzing MUT-A co-structures with polymorphic integrases. Beside their therapeutic interest INLAIs are highly valuable reagents that allowed to demonstrate the essential role of integrase at three key steps of the HIV-1 replication cycle, reverse transcription, integration and virus maturation.

L'émergence de bactéries résistantes aux antibiotiques constitue un problème majeur de santé publique responsable d'un nombre croissant de décès, surtout dans les hôpitaux. La résistance aux aminoglycosides est principalement due à l'expression d'enzymes capables de les modifier, comme les aminoglycosides phosphotransférases (APH).Le premier volet de ce travail de thèse vise à mieux comprendre les bases moléculaires des interactions protéine-ligands et de la catalyse enzymatique d'une de ces enzymes, l'APH(2”)-IVa. La spécificité de substrats a été caractérisée en détails pour différents aminoglycosides par des méthodes thermodynamiques, de mesures cinétiques à l'état stationnaire et transitoire, par amarrage moléculaire et cristallographie aux rayons X. La seconde partie de cette étude consiste à développer et optimiser des inhibiteurs allostériques de ces enzymes capables de restaurer l'efficacité des aminoglycosides. Pour cela, une cavité, potentiellement impliquée dans la dynamique de l'APH(2”)-IVa, a été identifiée à partir de simulations de dynamique moléculaire. Celle-ci a servi de cible pour cribler, in silico, 12 000 composés issus de la banque de données Zinc. Ainsi, 14 composés ont été testés in vitro pour leur capacité à diminuer l'activité enzymatique d'APH. Parmi ces derniers, une molécule s'est révélée être un inhibiteur non-compétitif de l'APH(2”)-IVa. Une étude des relations structure-fonction a permis de déterminer les groupements les plus favorables à l'inhibition et d'identifier un composé plus efficace. L'utilisation de ces deux molécules permet de restaurer, par exemple, la sensibilité à la sisomicine d'une souche d'E. faecium exprimant cette enzyme. Cette étude fournit des bases au développement de thérapies combinant un aminoglycoside et un inhibiteur des enzymes d'inactivation constituant une stratégie pour lutter contre la résistance aux antibiotiques dans un contexte thérapeutique. / Emergence of multi-drug resistant bacteria leads to increasing fatal issues especially in hospitals. Resistance to aminoglycoside antibiotics is mainly due to the expression of modifying enzymes, such as aminoglycoside phosphotransferases (APH). The first aim of this project was to elucidate the molecular basis of protein-ligand interactions and catalysis of one of these enzymes, the APH(2”)-IVa. Promiscuity of aminoglycoside substrates has thus been characterized in details using thermodynamics, transient and steady state kinetics, molecular docking and X-ray crystallography techniques.The second part aimed to develop and optimize allosteric inhibitors of these enzymes able to counterbalance aminoglycoside resistance. For this purpose, a small cavity, potentially involved in APH dynamics, was identified from molecular dynamic simulations. This cavity was used as a target to virtually screen 12 000 compounds of the Zinc database. The efficiency of the 14 high-ranked molecules to inhibit APH was evaluated in vitro and lead to the identification of a non-competitive inhibitor of APH(2”)-IVa. Structure-activity relationships highlighted the most favourable substituents for APH inhibition and permitted to obtain a more potent compound. The two molecules were able to restore, for example, sisomicin susceptibility of an E. faecium strain, expressing this enzyme.This study provides a basis for the development of combined chemotherapies (antibiotic with enzyme inhibitor) which may overcome antibiotic resistance in a clinical context.

Le cancer représente l'un des problèmes majeurs en santé publique. Jusqu'à présent, en parallèle de l'intervention chirurgical, plusieurs traitements ont été mis au point et largement utilisés en thérapie clinique telles que les chimiothérapies. Cependant, leur efficacité est parfois limitée et couplée à des effets secondaires très néfastes, laissant les patients dans une impasse thérapeutique. Par conséquent, de nouvelles approches thérapeutiques doivent être développées sur de nouvelles cibles avérées en oncologie afin d'apporter des soins personnalisés aux patients. La première partie de mon travail de thèse a été dédiée à la compréhension des mécanismes moléculaires de la nucléotidase cytosolique de type II (cN-II), une enzyme du métabolisme des purines dont l'implication dans des phénomènes de résistance à des traitements anticancéreux a pu être démontrée. Aussi, une étude sur la cinétique enzymatique à l'état pré-stationnaire et stationnaire a été entreprise sur la forme sauvage et une forme mutée de l'enzyme lui conférant une activité accrue fortement impliquée dans les cas de résistance. Par cette approche, il a été possible de décortiquer le mécanisme cinétique, de définir l'étape cinétiquement limitant afin d'identifier les intermédiaires prépondérants de la réaction pouvant être ciblés pour le développement de nouveaux inhibiteurs. Cette étude cinétique est présentée dans ce premier volet de la thèse. En second lieu, mon travail s'est focalisée sur un second membre de cette famille d'enzyme qui est l'ecto-5'-nucléotidase (CD73). Cette enzyme exprimée sous forme dimérique à la surface extracellulaire régule la concentration en adénosine extracellulaire (par hydrolyse de l'adénosine monophosphate), ce dernier étant un puissant immunosuppresseur de la réponse immune anticancéreuse. L'objectif de mon travail de thèse a été de développer de nouveaux inhibiteurs de type allostérique en utilisant une approche basée sur la structure tridimensionnelle et la dynamique moléculaire. Une des étapes clés a été tout d'abord de mettre au point un système expression hétérologue afin d'obtenir l'enzyme recombinante en quantité suffisante pour les études enzymatiques ultérieures. Différents systèmes d'expression ont été testés et seul le système en cellules d'insecte infectées par le baculovirus a permis d'obtenir l'enzyme active en grande quantité. En parallèle, une étude in silico a permis de reproduire la dynamique fonctionnelle de l'enzyme requise pour sa fonction. A partir de ses données, un criblage virtuel d'une chimiothèque de 324 000 molécules a été réalisé sur le site de dimérisation et a permis d'identifier 33 composés chefs de files. Parmi, ces composés, dix molécules se sont avérés être de puissants inhibiteurs de CD73 (Ki < 1 µM) avec un mécanisme d'inhibition de type allostérique ou non-compétitif. La cytotoxicité des composés a été évaluée sur des lignées cellulaires transformées ou tumorales montrant un effet uniquement à des concentrations très élevées (supérieures à 100 µM). L'étude des relations structure-fonction devrait permettre à présent de proposer de voies d'optimisation afin d'améliorer l'efficacité des composés les plus actifs afin d'aboutir à de nouveaux candidats médicaments. / Cancer burden still remains a major worldwide health problem. To date, several types of conventional anticancer treatments are widely used in clinical. However, the alternative effects of these treatments often leave patients impaired. Therefore, it is required to understand the unique medical needs of individual patients and to conduct effective, high–quality research focusing on the not yet identified oncotargets.The first part of my thesis is dedicated to decipher molecular basis of cN-II reaction. This study characterizes the steady state and transient state kinetics of cN-II wild type and hyperactive mutant which involved in cancer treatment resistance. Furthermore, the characterization of the rate-limiting step and reaction intermediates gave insights into the binding mechanisms and the development of small molecules inhibitors of cN-II.In the second part of this work, we aimed to investigate allosteric inhibitors of CD73 using structure-based drug design approach. In this study the suitable protein expression system was established for the production of sufficient quantities of fully active CD73. This work followed by in silico studies, including molecular dynamics, virtual screening, and hits identification and in vitro hits validations and kinetics characterizations. The cytotoxicity of the most powerful inhibitors exhibited on different cell types was determined. SAR studies gave insights into the binding mode of best compounds and function.