Catalyse et repliement sont deux notions intimement liées dans la Nature à travers les protéines et les enzymes, puis par extension, avec les catalyseurs synthétiques conçus par les chimistes. Des briques élémentaires artificielles ont été développées depuis deux décennies afin de synthétiser de nouvelles architectures moléculaires ayant une forte propension à se replier, appelées foldamères. Dans de nombreux systèmes biomimétiques inspirés par les biopolymères, la stabilisation d’une forme repliée résulte de la formation d’un fort réseau de liaisons H. Ces squelettes repliés apportent plusieurs avantages pour une application en catalyse : ils peuvent offrir un effet coopératif lors de la coordination d’un ligand, une meilleure stabilisation des intermédiaires chargés ainsi qu’une minimisation du coût entropique de la formation de l’état de transition. Ils constituent une nouvelle classe d’organocatalyseurs méritant de plus amples investigations. L’organocatalyse présente un fort intérêt dans la recherche actuelle, dû la simplicité de mise en œuvre des systèmes et l’absence de métaux conduisant à une moindre toxicité. Cependant, des charges importantes (5-20 mol%) en catalyseur sont souvent nécessaires pour réaliser des transformations chimiques avec de bons rendements et de bonnes stéréosélectivités. L’effet synergique apporté par la structure bien définie des foldamères via leur fort réseau de liaisons hydrogène peut jouer en faveur d’une diminution de la charge catalytique du système.Les foldamères à base de motifs oligo(thio)urées sont des analogues des peptides, avec une structure secondaire hélicoïdale, 2.5 résidus par tour et un réseau de liaisons hydrogène fermant des pseudo-cycles à 12 et 14 atomes, et ils présentent un macrodipôle pouvant être renforcé par l’activation avec un groupe électroattracteur au niveau du pôle positif. La liaison d’anions avec des oligourées a été démontrée comme étant site-spécifique et n’ayant aucune influence sur la structure hélicoïdale, illustrant leur fort potentiel de liaison d’espèces chargés négativement. Les urées et les thiourées ont été largement utilisées comme donneurs de liaisons hydrogène pour l’organocatalyse avec des résultats très satisfaisants. Ces concepts posent les bases pour développer un organocatalyseur innovant avec des foldamères oligo(thio)urées, interagissant par activation des substrats par formation de liaisons H. Une étude autour de la relation structure-activité, accompagnée de l’élaboration d’une réaction modèle avec un large panel de substrats, ainsi que des études mécanistiques via des mesures RMN, vont permettre d’établir les principes gouvernant la catalyse avec des foldamères oligo(thio)urées. / Catalysis and folding are two closely interwoven notions in Nature particularly among enzymes, and by extension can be applied to synthetic catalysts designed by chemists. Artificial monomers have been created for two decades to synthesize new oligomeric molecular architectures with a high propensity to fold, which are called foldamers. In many systems, folded structure is stabilized by a strong hydrogen-bonding network, in a similar way to biopolymer structures. These folded backbones may provide significant advantages as catalyst as they could offer cooperativity in ligand binding, a greater stabilization of charged intermediates and then a minimization of entropic cost of the transition state binding. They constitute a class of potential organocatalysts which deserves more investigation. Organocatalysis is an area of strong interest nowadays because of the lower toxicity of the catalysts and meta free procedures, their modularity and easiness to handle them. But generally high loading (5-20 mol%) are needed to perform chemical transformations with good yields and good stereoselectivities. The synergistic effect brought by the well-defined structures of foldamers through the strong hydrogen-bonding network can be in favour of a decrease of the catalyst loading.Oligo(thio)urea foldamers are peptides analogues, with a helical secondary structure, 2.5 residues per turn and 12- and 14-membered H-bond ring and present a macrodipole which can be reinforced through activation with electro-withdrawing group at the positive pole. Binding of anions to oligourea has been studied and was shown to be site specific and not to have any impact on the helical structure thus illustrating the high potential of coordination of negatively charged species to oligourea foldamers. Urea and thiourea small molecules have been widely used as H-bond donors for organocatalysis with very satisfying results. These concepts are the basis of the development of an innovative organocatalyst with oligo(thio)urea foldamers, acting through H-bond activation. A structure-activity relationship study combining an extended substrate scope and NMR mechanistic studies was performed allowing delineation of the principles governing oligourea foldamer-based catalysis.

Les foldamères sont considérés comme étant des oligomères capables de s’auto-structurer en solution par le biais de liaisons non covalentes. Ces composés peuvent présenter un grand intérêt biologique dans la mesure où l’on peut en attendre une meilleure résistance aux peptidases, la possibilité de se conjuguer aux ARN et ADN, etc… Au sein des oligomères azapseudopeptidiques, le point d’ancrage de la chaîne latérale est affecté car le CHa de l’acide aminé originel est remplacé par un atome d’azote. Cette substitution engendre la perte du centre chiral CHa et la perturbation des caractéristiques électroniques et structurales des deux liaisons amides adjacentes. Ce travail concerne l’élaboration de nouvelles voies de synthèse de 2:1-[a/aza]-oligomères en solution. Nous avons mis au point un protocole de synthèse généralisable des précurseurs azadipeptidiques Boc-azaAA-AA-OMe orthogonalement protégés. Les 2:1-[a/aza]-trimères, obtenus à partir des précurseurs azadipeptidiques, ont ensuite été engagés dans des réactions d’oligomérisation par couplage peptidique, ce qui nous a permis d’isoler les tous premiers 2:1-[a/aza]-oligomères avec de très bons rendements. La structure des composés préparés a été analysée par spectroscopies RMN, IR, diffraction des RX et par modélisation moléculaire. L’examen des 2:1-[a/aza]-trimères a révélé la formation d’un coude ßII. Les 2:1-[a/aza]-hexamères ont la capacité à s’auto-structurer. D’une manière générale, grâce aux études réalisées par RMN et par IR, nous pouvons fortement envisager que nos 2:1-[a/aza]-oligomères se structurent en solution pour former des foldamères / Foldamers are described as any oligomers with a strong tendency to adopt a specific compact conformation in solution through non covalent interactions. These compounds can make duplexes with RNA and DNA and are more resistant to peptidases. Thus foldamers can have a biological activity. Among azapseudopeptide oligomers, substitution of a nitrogen for the CHa group is a way to preserve the side chains of analogous peptides. This substitution entails the lost of chiral center and the overall conformational and local electronic states might be affected. We have synthesized 2:1-[a/aza]-oligomers on liquid phase. We have developed a new general protocol for obtaining various Boc-azaAA-AA-OMe. Then, 2:1-[a/aza]-trimers, obtained from the precursors, were used in oligomerization reaction by peptidic coupling. By this way, we obtained the first 2:1-[a/aza]-oligomers in very good yields. The structure of the obtained oligomers was analysed by NMR and IR spectroscopies, X-ray diffraction and molecular modelling. The 2:1-[a/aza]-trimers show a ßII-turn and the 2:1-[a/aza]-hexamers structure themselves. On the whole, by NMR and IR spectroscopies, we can strongly consider that our 2:1-[a/aza]-oligomers structure themselves in solution to form foldamers

Ce travail décrit la synthèse, l’oligomérisation et l’étude structurale de [alpha-N-amino]mères. En extrapolant une stratégie de synthèse originale d’alpha-hydrazinoacides optiquement purs développée au LCPM nous avons pu obtenir de manière satisfaisante les N-aminodipeptides, précurseurs indispensables à la suite du projet. Nous avons pu montrer que l’activation du partenaire acide impliqué dans la réaction clé de Mitsunobu, habituellement obtenue par l’utilisation du groupement phtalimide, pouvait être avantageusement réalisée par l’introduction d’une fonction hydrazone à caractère fortement électroattracteur. Une extension de cette méthode de synthèse sur résine est un résultat qui constitue une mise en œuvre efficace de la réaction de Mitsunobu en SPS. Les N-aminodipeptides obtenus ont ensuite été engagés dans des réactions d’oligomérisation. Une étude préliminaire en phase liquide a permis de démontrer la faisabilité d’un couplage peptidique classique entre deux unités pseudopeptidiques déprotégées. La suite de l’étude a été effectuée sur phase solide et nous a permis d’obtenir les tous premiers oligomères à squelette alpha-N-aminopeptidique jamais synthétisés à ce jour. Enfin, dans le troisième chapitre, ces oligomères ont été étudiés par modélisation moléculaire et par différentes méthodes spectroscopiques (RMN, IR) qui ont permis de mettre en évidence un repliement par l’établissement de liaisons hydrogène intramoléculaires / This work describes the synthesis, the oligomerization and the structural study of N-aminopeptides. By extrapolating an original strategy of hydrazinoacids synthesis developed in the LCPM we were able to obtain N-aminodipeptides in high optical purity in a satisfactory way. These compounds were the indispensable precursors in order to continue the project. We were able to show that the activation of the acidic partner involved in the key reaction of Mitsunobu usually obtained by the use of the phtalimide group, could be advantageously realized by the introduction of a hydrazone moiety with strong electron-withdrawing character. An extension of this method on solid support is a result which constitutes an effective application of a Mitsunobu protocol in Solid Phase Organic Chemistry. The N­aminodipeptides thus obtained were studied in reactions of oligomérisation. A preliminary study in liquid phase allowed to demonstrate that a classic peptidic coupling reaction could occur between two pseudopeptidic units. The continuation of the study was made on solid phase and allowed us to obtain the first [alpha-N-amino]peptides never synthesized to this day. Finally, in the third chapter, these oligomers were studied by molecular modelling and various spectroscopic methods (NMR, IR) who allowed to suggest a folding by the establishment of intramolecular hydrogen bonds

Les interactions protéine–protéine (IPP) jouent un rôle primordial dans les processus physiologiques. L’inhibition de ces interactions ouvre la voie à la conception de nouvelles molécules à visée thérapeutique. Les structures secondaires en hélice α sont fréquemment impliquées dans les interactions entre protéines auxquelles elles peuvent contribuer de manière significative. La conception de molécules, mimant ce motif de reconnaissance et pouvant interagir avec la protéine cible tout en inhibant la reconnaissance avec le partenaire naturel, représente une voie innovante pour trouver de nouveaux candidats médicaments. Les oligomères d’urée aliphatique, une classe de foldamères qui adoptent une structure secondaire en hélice bien définie et proche de l’hélice α, ont été proposés comme mimes d’hélice α pour inhiber les IPP. Au cours de cette thèse, nous nous sommes d’abord intéressés à la conception de foldamères d’oligourée et de chimères oligoamide/oligourée pour cibler des surfaces de protéine. Nous avons sélectionné le récepteur nucléaire de la vitamine D (VDR) comme modèle d’étude en raison de son intérêt thérapeutique, et des connaissances structurales disponibles. Les protéines partenaires de VDR (coactivateurs) interagissant via une courte région structurée en hélice α, nos recherches ont portés sur des mimes d’hélices inspirés des séquences de coactivateurs. Dans une seconde partie, nous nous sommes intéressés à la génération et à l’étude de dimères covalents de foldamères, qui pourraient être utilisés pour couvrir des surfaces d’interaction plus larges. En effet, les interactions protéine-protéine montrent souvent un mode d’interaction plus complexe qu’une simple hélice, faisant intervenir des structures tertiaires et quaternaires de type coiled coils, qui peuvent aussi servir de point de départ pour la conception de nouvelles classes d’inhibiteurs. / Protein-protein interactions (PPI) have a key role in physiological processes. The inhibition of these PPI may lead to new therapeutic strategies. Secondary structures in α-helix are frequently involved in protein interactions where they may contribute significantly to binding. Designing molecules which mimic the helical motif for protein surface recognition and inhibition of the natural partner represents an innovative path to discover new drug candidates. Aliphatic urea oligomers, a class of foldamers that adopt a well-defined H-bonded helical secondary structure with good similarity to the α-helix have been proposed as possible α-helix mimics to inhibit protein-protein interactions. The first part of this PhD project was dedicated to the design and synthesis of oligoureas and oligourea/α-peptide chimeras for specific protein surface recognition. We have selected the vitamin D receptor as a potential target, mainly because (i) it is therapeutically relevant; (ii) its protein partner (coactivators) interact through a short region which adopts an α-helical structure upon binding and (iii) structures at atomic resolution were available to enable the design of effective mimetics. In the second part, we investigated methods to generate foldamer covalent dimers that could potentially be used to cover larger interaction surfaces. The rationale is that the binding interface is often more complex than a single helix and may involve tertiary and quaternary structures such as coiled coils which in turns may also serve as a basis for the design of new classes of inhibitors.

Face à l’émergence de pathogènes multi-résistants aux antibiotiques classiques, et au développement des armes biologiques, la découverte de nouveaux agents antimicrobiens reste un enjeu majeur de santé public. Dans ce contexte, la conception d’oligomères peptidomimétiques, capables de mimer le caractère amphiphile et la structure en hélice des peptides antimicrobiens naturels, effecteurs clés de l’immunité innée, offre d’intéressantes perspectives. Il a été établi que des foldamères à base d’urées amphipathiques, structurés en hélice-2,5, possédaient une forte activité bactéricide contre Bacillus anthracis, bactérie considérée comme une arme biologique potentielle. En vue d’optimiser l’activité anthracidale et la sélectivité in vitro de la première génération de composés, une étude relation structure-activité a été initiée en réalisant une série de modifications (i.e. séquence primaire, longueur et squelette de l’oligourée). Des oligomères originaux possédant des motifs isostères de type thiourée et guanidine ont ainsi été préparés en solution puis sur support solide. Des études conformationnelles approfondies soulignèrent que seule l’insertion de lien thiourée à proximité du dipôle négatif était bien tolérée par l’hélice-2,5. Parallèlement, les études in vivo ont montré une forte stabilité des oligourées avec une accumulation sélective dans le rein ainsi qu’une protection partielle des souris contre l’infection systémique par Bacillus anthracis. Enfin l’étude de l’interaction de ces oligourées avec des membranes lipidiques modèles a confirmé leur capacité à perturber les membranes et a mis en avant des mécanismes d’action différents selon le type de lipides utilisés. / The increasing antibiotic resistance among pathogens and the emergence of biological weapons have highlighted the urgent need of new antimicrobial agents. In this context, the design of peptidomimetics as urea-based foldamers, capable of mimicking the amphiphilic character and conformation of natural antimicrobial peptides, key effector molecules of innate immunity, offers new prospects. It has been previously established that amphipathic oligourea 2.5-helices have a strong bactericidal activity against Bacillus anthracis, bacteria considered as a potential biological warfare agent. Based on these results and with the aim of optimizing the potency and selectivity in vitro of the first generation of compounds, a structure-activity relationship study was carried out by performing series of modifications on a lead compound (i.e. side-chain replacement, size and backbone modifications). Among them, new series oligomers incorporating isosteric substitutions such as thiourea and guanidine moieties were prepared in solution then on solid support. Interestingly, the conformational studies revealed that only the insertion of thiourea linkage near the negative end of the helix dipole was well-tolerated by the 2.5-helix. Concurrently, in vivo studies highlighted a strong stability of the lead oligourea with a selective accumulation in the kidneys as well as a partial protection of the mice after systemic infection by Bacillus anthracis. Finally, biophysical interaction studies of selected oligoureas with model membranes confirmed their capacity to disturb membranes and showed different mechanisms of action depending on the lipid composition.

Avec 8,8 millions de décès dénombrés en 2015, le cancer est l’une des plus grandes causes de mortalité dans le monde. De nouvelles stratégies thérapeutiques ont émergé et l’identification de nouvelles cibles biologiques comme notamment la protéine Asf1, un chaperon d’histone H3-H4 surexprimée dans les cellules cancéreuses et en particulier le cancer du sein. Cette protéine possède différentes fonctions dans la cellule et agit à plusieurs endroits par des interactions protéine-protéines. Au cours de cette thèse de doctorat, nous avons développé une stratégie originale de design d’inhibiteurs d’interactions protéine-protéine avec des foldamères peptidomimes à base d’urées. Ces foldamères ont 1) la capacité de se replier en hélice 2,5, rappelant les hélices α des peptides et 2) d’être hautement tolérés et initiateurs d’hélicité lorsqu’ils sont conjugués à des fragments peptidiques. Nous avons développé des oligomères mixtes comprenant une alternance de segment(s) peptidique(s) et multi-urée, appelées chimères, ayant l’avantage de combiner la reconnaissance naturelle de peptides et la forte propension des oligourées à former des hélices stables. Après une étude structurale montrant qu’avec l’insertion d’un court segment à base d’urées dans un peptide hydrosoluble adoptant une conformation en hélice  la conformation hélicoïdale pour une majorité des chimères est conservée, des composés mimant la partie hélicoïdale C-terminale de l’histone H3 ont été élaborés. Une interaction de l’ordre du micromolaire avec Asf1 a été observée en solution puis validée à l’état solide par cristallographie aux rayons X. En vue d’optimiser la reconnaissance de ces chimères avec la surface d’Asf1 et leur sélectivité, un panel de modifications a été réalisée (i.e. séquence primaire, longueur du segment urée). Nous avons ainsi conçu des chimères α/urée possédant des affinités de liaison pour Asf1 comprises entre le nano- et micromolaire. Le composé le plus prometteur a été internalisé avec succès dans des cellules cancéreuses après conjugaison bioreductible avec un peptide vecteur et pourrait conduire à la mort cellulaire de la lignée tumorale étudiée. / In 2015, 8.8 million of death were due to cancer making it an important cause of death in the world. The necessity to develop new anticancer treatments led to the search and discovery of new biological targets, such as Asf1, a histone chaperone protein of H3-H4 which is overexpressed in cancer cells, in particular in breast cancer. This protein plays a role in different biological processes in cells through protein-protein interactions (PPIs). During this thesis, we developed an original strategy to design inhibitors of PPIs with urea-based peptidomimetics. These foldamers are able to fold into stable 2.5-helix reminiscent to the natural α-helix. Designed urea-based foldamers have been synthesized as hybrid oligomers consisting of α-peptide and oligourea segments. With a combination of the two backbones, these compounds named “chimeras” presents advantages of both species with the natural recognition of α-peptides and the innate helical stability of oligourea. First, a model study was performed to evaluate the impact of the introduction of short urea segments into a long water-soluble peptide. Circular dichroism experiments confirmed that the helical conformation was conserved. New series of compounds that mimic a helical part of H3 were synthesized and their interaction with Asf1 was studied in solution and in solid state using a range of biophysical methods. Several modifications into the sequence were performed (side chain substitution, size of the urea segment or compound) in order to improve the recognition of Asf1 surface as well as their selectivity. We conceived oligourea-peptide chimeras with affinity for Asf1 in the micromolar range. Our best compound linked to a cell penetrating peptide was shown to enter into cells and to induce cell death.

Les travaux décrits dans ce manuscrit concernent la synthèse, l’étude structurale et l’évaluation biologique d’oligopeptides abiotiques incorporant le gamma-aminoacide hétérocyclique nommé ATC (acide-4-Aminométhyl-1,3-Thiazole-5-Carboxylique). Les ATCs sont construits autour d’un noyau thiazole et présentent deux points de diversité structurale. De précédents travaux ont déterminé que la présence du noyau thiazole entre les positions alpha et béta bloquait l'angle zéta autour de 0°, structurant les homo-oligomères de poly-(S)-ATCs en une hélice 9 droite et les faisant ainsi entrer dans le domaine des foldamères. Dans une première partie, nous avons entrepris de développer une voie de synthèse simple, flexible et énantiosélective permettant d’obtenir les ATCs stéréochimiquement purs sur une échelle de plusieurs grammes à partir d'alpha-aminoacides commerciaux. L’introduction de la diversité chimique est réalisée via deux étapes-clés que sont la condensation croisée de Claisen et la réaction de cyclisation de Hantzsch. Puis l’identification des marqueurs de structuration RMN et IR-TF des oligomères d'ATCs a été mise à profit pour caractériser le repliement d’hétéro-oligomères combinant ATCs et alpha-aminoacides. Ainsi, une étude structurale par RMN, IR-TF, cristallographie RX et dichroïsme circulaire a démontré que l’enchaînement 1:1 (L)-alpha:(S)-ATC se structurait en un ruban, stabilisé par un réseau intramoléculaire de liaisons hydrogène bifides formant des pseudocycles à 9 et 12 chaînons. La distribution des chaînes latérales le long du squelette principal présente une forte analogie avec l’hélice alpha, ce qui pourrait constituer un atout majeur pour le développement de composés à finalité thérapeutique. La dernière partie de ce travail a porté sur la conception de pseudo-peptides amphipatiques pour des applications en temps qu'antimicrobiens. / This manuscript describes the synthesis, the structural study and the biological evaluation of abiotic oligopeptides incorporating the heterocyclic gamma-amino acid ATC (4-Aminomethyl-1,3-Thiazole-5 Carboxylic acid). This original block is built around a thiazole ring and displays two lateral chains. Previous work in our laboratory highlighted that the presence of the thiazole ring between the positions alpha and beta implied that zeta angle was blocked around 0°, thus structuring poly-(S)-ATCs homo-oligomers in a right-handed 9-helix foldamer. First, development of a simple, flexible and enantioselective synthesis on a few grams scale has allowed to get access of a highly diverse ATC library from commercial alpha-amino acids. Introduction of the chemical diversity occurs via two key steps implying a cross-Claisen condensation and a Hantzsch cyclization. Then identification of NMR and FT-IR structural markers of ATC-containing oligomers was used to characterize the folding propensity of hybrid α:ATC oligomers. We demonstrated that 1:1 (L)-alpha:(S)-ATC heterochiral oligomers are structured in solution in a new ribbon-like shape stabilized by a bidentate intramolecular hydrogen bond network forming 9- and 12-membered pseudorings. The distribution of lateral chains along the main skeleton shows a high analogy with alpha-helix thus constituting a major advantage for potential medicinal applications. The last part of this work has focused on the design of amphipathic ATC-containing pseudo-peptides as antimicrobial agents.

Le passage des médicaments a travers la membrane cellulaire représente souvent une limitation majeur dans un grand nombre de thérapies (anti-cancéreuse, anti-virale par exemple). Des peptides vecteurs connus comme les CPPs (cell penetrating peptides) ont été utilises avec succès pour introduire a l’intérieur des cellules diverses molécules (protéines, peptides, siRNA, quantum dots) et présentent un fort potentiel dans l'adressage de médicaments. Parmi les différents CPPs décrits dans la littérature la plupart sont des peptides basiques ou amphiphiles.Nous nous sommes intéressés a l'utilisation d’oligomères non charges construits a partir de motifs contraints mimes de dipeptides comme vecteurs de pénétration cellulaire. L'internalisation cellulaire et leur localisation ont été établies a l'aide de dérivés fluorescents par microscopie confocale. L' étude de pénétration cellulaire par mesure de fluorescence a montre que des oligomères de (3S)-amino-5-carbonylmethyl-2,3-dihydro-1,5-benzothiazepine-4(5H)-one] (DBT) sont aussi puissants que les oligomères d'arginine (oligoArg), vecteurs de référence. Par microscopie confocale nous avons montré que ces composés sont internalisés dans les lysosomes. L’efficacité d'internalisation de nos composés a été confirmé par une méthode de quantification par spectrométrie de masse MALDI-TOF développée dans notre groupe. Cette méthode repose sur l'utilisation conjointe d'un marqueur UV-absorbant dérivé de l'acide alfa-cyano-4-hydoxycinnamique (HCCA) et d'une matrice MALDI adaptée. Un effet important de discrimination spectrale est obtenu, permettant une amplification du signal de la molécule d' intérêt dans un mélange complexe. Ainsi les faibles concentrations internalisées peuvent être détectées. Grâce a cette technique et l'utilisation d'un étalon deutéré, nous avons calculé la concentration intracellulaire de deux CPP de référence l'octa-arginine et la pénétratine. Nous avons aussi étudier l’internalisation de petits oligomères construits a partir d'acide 2-aminomethyl-phenyl-acetique (AMPA). Par microscopie confocal nous avons constaté que ces petits oligomères sont internalisés par voie endo-lysosomale.L’efficacité de la pénétration cellulaire de ces petits oligomères aromatiques (oligoAMPA et oligoDBT) offre une nouvelle classe de vecteurs qui ont la particularité d’être non-cationiques et hydrophobes. De tels composés pourraient être utilisés pour la délivrance de médicaments dans le traitement des maladies comme le cancer, les maladies lysosomales ou la maladie d'Alzheimer. Afin de montrer que cette nouvelle classe de vecteurs est capable d'internaliser des composés biologiquement actifs, nous les avons associés a un inhibiteur puissant de la Cathepsine D (CD) la pepstatine. CD est une endopeptidase lysosomale qui dans des conditions normales est localisée dans les endosomes et les lysosomes. Pour certains cancers, la CD est surexprimée et secrétée a l’extérieur de la cellule. La CD est probablement impliquée dans la prolifération des cellules cancéreuses par l'activation de certains facteurs de croissances dans les endosomes. La pepstatine est une inhibiteur puissant de la CD. Cependant son efficacité thérapeutique potentielle est limitée par une faible capacité de pénétration des membranes cellulaires et une faible solubilité nécessitant de fortes doses pour l'inactivation de la CD in vitro et in vivo. Afin d’améliorer son efficacité et sa biodisponibilité, des conjugues de la pepstatine avec nos vecteurs de pénétration cellulaire, oligo (AMPA)4 et (DBT)4, et une partie solubilisante ont été développés. Certains de ces bioconjugués ont montre une toxicité élevée (IC50 = 2.10-6) in vitro sur différentes lignées cellulaires tumorales. Des tests in vivo sur des souris sont prévus pour le futur. / As a part of a program for foldamer design two ¦Â-turn mimetics (3S)-amino-5-(carboxylmethyl)-2,3-dihydro-1,5-benzothiazepin-4(5H)-one or DBT and 2-aminomethyl-phenyl-acetic acid or AMPA were selected as frameworks from a molecular modeling study for their suitability to adopt helical structure. At first we developed a highly efficient scale up synthesis of the DBT moiety protected by 9-fluorenylmetoxycarbonyl (Fmoc) group. By standard solid phase peptide synthesis (SPPS) we synthesized DBT oligomers of different lenghts and modifications were introduced at their N-terminus. Our first task was to perform structural analysis of the oligomers by NMR and X-Ray. Numerous NOE interactions in the DBT pentamer and hexamer molecules were detected by NMR 2D NOESY experiments. These data strongly suggest the organization of these DBT oligomers. Small crystals were obtained from the same molecules in DMSO but at the time being their size is not importan t enough for X-Ray crystallography studies. In a parallel study we hypothesized that short oligomers constructed by DBT or AMPA frameworks could translocate the cellular membrane and could be used as new cell penetrating non-peptides - CPNP. Even though these compounds are not charged as most cell penetrating peptides (CPP)5 or CPNP, we considered that by virtue of their aromaticity, hydrophobicity and their well-organized structure they could have a non-specific interaction with the lipid bilayer and thus be internalized into the cell. Short oligomers were synthesized on Rink amide (RA) resin following SPPS methodology and labelled at their N-terminus with fluorescein isothiocyanate (FITC). At first the cellular uptake of the (DBT)2-4 oligomers in MDA-MB-231 breast cancer cells was analyzed by fluorescence emission measurement and compared to the potent and well-studied CPP octa-arginine (Arg)8 as a positive control and carboxyfluorescein as a negative control. The highest intracellular fluorescence intensity was found for (DBT)4 with a drastic decrease (>4-times) for (DBT)3 and (DBT)2 oligomers. Thus, the cellular uptake appeared length-dependent with an increase of the internalization with the oligomer size. Moreover, the amount of (DBT)4 that was internalized was more significant than that of (Arg)8 despite the fact that it is uncharged. By confocal microscopy we determined that (DBT)4 is mainly localized in the endosomes after 3 hours of incubation and in the lysosomes after 16 hours of incubation. Altogether, these data indicate the ability of these oligomers to target the endolysosomal pathway. Although most of the initial drug delivery studies aimed to avoid lysosomal addressing to prevent subsequent drug degradation, more recent studies demonstrated the relevant clinical utility to target this compartment for drug delivery in the treatment of lysosomal storage diseases, Alzheimer¡¯s disease, and cancer.While analyzing the internalization efficiency of our CPNP we decided to straightforward evaluate their concentration inside the cells. We studied our compounds internalization by total fluorescence emission measurement and by confocal microscopy but none of these techniques gave us the possibility to determine the exact amount of compound internalized per cell. A study reported by Burlina et al. brought a great improvement in proposing a highly reproducible quantification method based on MALDI-TOF MS to measure the concentration of the internalized peptides. However, after cell lysis, this method requires the capture of the biotin-labelled CPP by streptavidin coated magnetic beads. This step is particularly critical for the accuracy of the quantification. This is the reason why we decided to develop a new general methodology based on MALDI-TOF mass spectrometry (MS) which does not require any purification or separation steps. We studied the internalization of CPP/CPNP compou nds by using an UV light-absorbing tag alpha-cyano-4-hydroxycinnamic acid (HCCA) and preparing the samples in a neutral matrix such as alpha-cyano-4-hydroxycinnamic methyl ester (HCCE). This combination (HCCA tag and HCCE matrix) enabled us to discriminate MS signals induced by peptides of interest that were present in low concentration from those of unlabelled more abundant peptides. By addition of a precise amount of deuterated-HCCA-tagged CPP/CPNP prior the MALDI TOF MS experiment, the internalized CPP/CPNP could be quantified on the basis of the ratio between the [M+H]+ peaks of the deuterated and nondeuterated HCCA-tagged CPP.Another direction for research was to synthesize bioconjugates between our newly discovered CPNP and some biologically active compounds that are unable to cross the cell membrane. We selected pepstatine which is a powerful transition state inhibitor of the Cathepsin D (CD). Pepstatine while a very potent inhibitor of the CD is unable to cross the cellular membrane. Moreover pepstatine activity in vitro or in vivo is hampered by its poor solubility in water. CD is a soluble lysosomal aspartic endopeptidase synthesized in rough endoplasmic reticulum as preprocathepsin D (pCD).12 Upon entering the acidic endosomal and lysosomal compartments proteolytic cleavages of the pCD result in the formation of the active enzymatic form of CD. Under normal physiological conditions pCD is sorted to the lysosomes and found intracellularly but in some pathological and physiological conditions like cancer pCD/CD escape the normal targeting mechanism and is secreted from the cell. Once secreted to the outside, pCD can be endocytosed via M6PR or yet unknown receptor by both cancer cells and fibroblasts. The endocytosed pCD undergoes maturation into the enzymatically active CD. An enzymatic activity of CD outside of the cell or inside the endosomes could be responsible for the activation of several growth factors and growth factor receptors. Several groups have proven that the tumour growth is not inhibited by the powerful CD inhibitor pepstatine. These results exclude the importance of the CD enzymatic activity outside of the cell but as already mentioned pepstatine is unable to penetrate into the cell thus CD activation of growth factors inside the endosomes or the lysosomes is still a possibility. Different CPNP-Pepstatine conjugates were synthesized and tested in vitro for their ability to inhibit MDA-MB-231 breast cancer cells growth. Some of these conjugates showed high cytotoxicity, probably via a Cathepsin D inhibition in the endosomes or the lysosomes. One o f the most potent tested compounds was JMV4463. This compound was obtained by the conjugation of pepstatine with a CPNP as delivery system (AMPA4) and with solubilizing moiety composed of polyethylene glycol and D-Arginine residue. The good in vitro results obtained with the vectorized pepstatine encouraged us to perform in vivo tests. We performed scale up synthesis of JMV4463 in order to obtain enough product for anti-cancer activity on mice in the near future.

Les α-hélices sont des éléments clés de la reconnaissance biomoléculaire, comme en témoigne le fait qu'une quantité significative de complexes protéine-protéine, dans la banque de données protéiques (PDB), présentent des interfaces inter-hélices. Cependant, de courtes hélices peptidiques isolées dans le but de bloquer ces interactions ne sont généralement que faiblement présentes en milieu aqueux et sont sensibles à la dégradation protéolytique, limitant ainsi leur potentiel thérapeutique. Diverses approches chimiques ont été proposées pour augmenter la propension au repliement en hélice des α-peptides. Une stratégie consiste à pré-organiser les premières liaisons amides à l'aide d'une « capping box » ou d'un substitut de liaison hydrogène. Récemment, nous nous sommes intéressés à la possibilité d'interfacer des peptides-α et des foldamères afin d’élaborer des « foldamères à blocs » générant ainsi un nouveau type d’architecture mime de l'hélice-α. Dans notre laboratoire, nous avons développé des foldamers à base d’urées qui s’organisent pour former des structures hélicoïdales. Les similitudes du sens d’enroulement, du pas et de la polarité entre l’hélice-α peptidique et l’hélice-2.5 d'oligourée suggéraient qu'il serait possible de combiner ces deux squelettes. Au cours de cette thèse, nous avons montré que les chimères : oligourée/α-peptide, forment des structures hélicoïdales bien définies dans les solvants organiques polaires avec la propagation d'un réseau de liaisons hydrogène intramoléculaires continu couvrant la totalité de la séquence. Ces études ont suggéré que le squelette de l'oligourée qui possède une forte propension à adopter une structuration en hélice pourrait conduire au développement d’un « cap » permettant la pré-organisation des quatre premiers NHs ainsi que des quatre derniers groupements carbonyles d’une hélice-α peptidique. Nous avons donc étudié l'influence de courts fragments oligourées sur la stabilisation de séquences peptidiques modèles solubles dans l'eau en hélices-α, conduisant au développement de la « foldamer capping box ». Grâce à cette nouvelle stratégie de stabilisation des hélices peptidiques, nous avons pu concevoir des inhibiteurs de l’interaction protéine/protéine p53/MDM2. / Α-Helices are key elements of biomolecular recognition, as reflected by the fact that a large fraction of the protein-protein complexes in the Protein Data Bank (PDB) feature helical interfaces. However, short isolated peptide helices are generally only weakly populated in aqueous environment and are sensitive to proteolytic degradation, thus limiting their therapeutic potential. Various chemical approaches have been proposed to increase the helix folding propensity of α-peptides. One strategy is to pre-organize the first amide bonds through the use of a "capping box" or a hydrogen bond surrogate. Recently we became interested by the possibility to interface peptide and foldamer helical backbones in order to develop “block co-foldamers“, to generate new generations of α-helix mimics. In our laboratory, we have developed oligourea foldamers which are organized to form helical structures. The similarities in helix screw sense, pitch, and polarity between the peptide α-helix and the oligourea 2.5-helix suggested that it would be feasible to combine these two backbones. In this thesis, we have shown that the resulting oligourea/α-peptide chimeras form well-defined helical structures in polar organic solvents with the propagation of a continuous intramolecular hydrogen bonding network spanning the entire sequence. These studies provided a rationale for the use of the oligourea backbone which is strongly biased towards helix formation could lead to the development of pre-organized caps for the initial four amide NHs and the final four carbonyl groups of a peptide α-helix. We have therefore studied the influence of short oligourea fragments on the stabilization of model water-soluble peptide sequences in α-helices, leading to the development of the foldamer capping box. This strategy awas pplied for the first time to the design of potent inhibitors of protein/protein interactions (e.g. p53/MDM2).

L’adamantane est un hydrocarbure polycyclique, rigide et assez encombrant. En médecine, plusieurs dérivés à base d’adamantane ont été développés notamment comme agent antiviraux. Facilement fonctionnalisés, sa conformation 3D permet d’amoindrir les encombrements stériques entre les différents groupements fonctionnels. Nous avons décidé d’utiliser ses propriétés pour concevoir des structures plus complexes, à savoir, des dendrons et des foldamers. Les dendrons sont des polymères synthétiques possédant des propriétés intéressantes. De par leurs tailles, ils sont considérés comme des nanoparticules et possèdent un ciblage passif des cellules cancéreuses. De plus, facilement fonctionnalisés ils peuvent être utilisés comme molécule cargo dans la vectorisation de principes actifs. Outre la vectorisation, les dendrons permettent d’améliorer les propriétés physico-chimiques d’un médicament (absorption, distribution, métabolisme, élimination et toxicité). Nous avons alors choisi de concevoir des dendrons à base d’adamantane. Ces derniers ont la particularité de ne pas posséder d’espaceur entre les molécules d'adamantane se qui les rend hautement rigides. L’analyse par microscopie électronique à transmission de différents dendrons a permis d’étudier leurs morphologies selon leurs fonctionnalisations ainsi que l’effet du solvant, de la concentration et du support sur leurs auto-assemblages. Dans un second temps, nous avons conçu un acide aminé basé sur l’adamantane. Cet acide g-aminé a ensuite été incorporé dans des séquences peptidiques et les effets de l’adamantane sur la structure secondaire des peptides ont été étudiés par dichroïsme circulaire. / Adamantane is a polycyclic hydrocarbon, rigid and quite bulky. In medicine, several adamantane-based derivatives have been developed especially as antiviral agents. Easily functionalized, its 3D well-defined structure considerably decrease the sterical hindrance between its different functional groups. In this context, we decided to use adamantane to build more complex structures such as dendrons and foldamers. Dendrons are synthetic polymers with interesting properties. Because of their size, they are considered as nanoparticles and possess a passive cancer cell targeting. In addition,they are easily functionalized and can be use as vector of drugs. Indeed, the dendrons improve the physochemical properties of a drug (absorption, distribution, metabolism, elimination and toxicity). We decided to combine adamantane and dendrons to build adamantane-based dendrons. However, these dendrons have the particularity of not having spacer between the adamantane moieties, thus, they are highly rigid. Transmission electron microscopy analysis of the different functionalized dendrons allowed to study their self-assembly capacity and their morphology according to their functional groups,the solvent, the concentration and the support. In a second step, we designed an amino acid based on adamantane. This g-amino acid has been introduced in a peptide backbone using solid phase peptide synthesis. Then, the effects of adamantane onto peptide secondary structures have been studied by circular dichroism.