Les interactions protéine-protéine (IPPs) contrôlent de nombreux processus physiologiques importantsdans les cellules humaines. Une caractéristique des cancers est l'échappement des cellules àl'apoptose, qui est souvent associé à la surexpression de protéines anti-apoptotiques, membres de lafamille de protéines Bcl-2. Cette famille comprend des membres anti-apoptotiques (Bcl-2, Bcl-xL,Mcl-1) et pro-apoptotiques. Dans de nombreux cancers dont les cancers de l’ovaire chimiorésistants,l'équilibre entre les membres pro- et anti-apoptotiques de la famille de protéines Bcl-2 est altéré etconduit à la survie des cellules cancéreuses. Une des stratégies envisagées pour surmonter cettechimiorésistance est rétablir l’apoptose par l’inhibition concomitante des protéines Mcl-1 et Bcl-xL.L’objectif est de concevoir des inhibiteurs à dualité d’action visant les protéines Mcl-1 et Bcl-xL.Les travaux antérieurs du laboratoire ont permis la découverte d’un inhibiteur sélectif de la protéineMcl-1, appelé Pyridoclax. Par une approche combinant les méthodes de Fragment-Based Drug Designet Structure-Based Drug Design, à partir de la structure du Pyridoclax, la conception de dual inhibiteurs,leur synthèse et leur évaluation biologique, sont rapportées dans cette thèse. L’exploration de nouveauxespaces chimiques et biologiques est ainsi rendue possible par la mise en oeuvre de cette approche ausein de laquelle le développement de nouvelles méthodologies de synthèse dans le but de concevoirdes fragments tridimensionnels originaux sera présenté.Ces travaux de thèse ont permis de concevoir, synthétiser et caractériser plus de 90 molécules.Certaines ont montré une activité pro-apoptotique intéressante en inhibant les protéines Mcl-1 et Bcl-xLnotamment. / Protein-protein interactions (PPIs) control many important physiological processes within human cells.A hallmark of cancers is the escape of cells from apoptosis, which is often associated with theoverexpression of the anti-apoptotic proteins of the Bcl-2 family. This family comprises pro-survival(Bcl-2, Bcl-xL, Mcl-1) and pro-apoptotic members. In many cancers and, in particular, chemoresistantovarian cancers, the balance between the pro- and anti-apoptotic Bcl-2 family members is alteredleading to the survival of cancerous cells. One of the strategies used to overcome chemoresistance isto re-establish apoptosis by the concomitant inhibition of Mcl-1 and Bcl-xL proteins. Therefore, theobjective is to design dual Mcl-1/Bcl-xL inhibitors.Our groups previous work allowed the discovery of a selective Mcl-1 inhibitor, named Pyridoclax. UsingFragment-Based Drug Design and Structure-Based Drug Design approaches, from the structure ofPyridoclax, the design, synthesis and biological evaluation of dual inhibitors are reported in this thesis.The exploration of novel chemical and biological space is possible by the implementation of thisapproach. The development of synthetic methodologies for the design of new 3-dimensional fragmentswill be presented.In this work, around 90 molecules were synthesized using an approach which combined Fragment-Based Drug Design and Structure-Based Drug Design methods. Some showed a pro-apoptotic activityby inhibiting Mcl-1 and Bcl-xL proteins.

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Les protéines à domaines PDZ sont impliquées dans des interactions protéine-protéine (IPP) et participent aux transports de signaux impliqués dans de nombreuses pathologies (cancer, mucoviscidose, douleur,…). L’interruption de l’interaction entre la protéine à domaine PDZ, PSD-95, et le récepteur de la sérotonine, 5-HT2A, réduit l’hyperalgie mécanique sur un modèle expérimental de douleur neuropathique chez les rats. Afin de concevoir de nouveaux inhibiteurs de cette interaction, antalgiques potentiels, trois stratégies ont été développées au cours de ces travaux. Une première stratégie a consisté à réaliser une étude de relation structure-activité à partir d’un inhibiteur connu, qui nous a permis d’identifier des groupements pharmacophores et ainsi obtenir une nouvelle molécule possédant un noyau indolique, capable d’inhiber l’interaction entre PSD-95 et 5-HT2A et possédant un effet anti-hyperalgique chez le rat neuropathique. La deuxième stratégie a consisté à valider la méthode du fragment-based drug design aux protéines à domaines PDZ en réalisant la déconstruction d’un inhibiteur connu de l’interaction en plusieurs fragments qui ont été criblés par RMN HSQC 1H-15N. Une évaluation systématique par RMN de chaque couple de fragments, suivie d’une étude de modélisation moléculaire a ensuite permis de mettre en évidence trois nouvelles molécules qui ont été synthétisées et évaluées par RMN HSQC 1H-15N. La troisième stratégie a été une approche peptidomimétique à partir de l’extrémité C-terminale de 5-HT2A, qui a conduit à la synthèse d’un peptoïde capable d’interagir avec la protéine à domaine PDZ. Ces études nous permettent d’envisager le développement de nouveaux antalgiques soit issus de la synthèse organique soit issus de mimes de peptides. / PDZ domains proteins are involved in protein-protein interaction (PPI) and participate in the transport of signals involved in numerous diseases (cancer, cystic fibrosis, pain, …). The disruption the interaction between the PDZ domains protein, PSD-95, and the serotonin receptor, 5-HT2A, reduces mechanical hyperalgesia in a rodent model of neuropathic pain in rats. To design new inhibitors as potential analgesics of this interaction, three strategies have been developed in this work. A first strategy was to conduct a study of structure-activity relationship from a known inhibitor, which allowed us to identify the pharmacophore groups and obtain a new molecule with an indole ring, capable of inhibiting the interaction between PSD-95 and 5-HT2A and possessing an anti-hyperalgesic effect on neuropathic rats. The second strategy was to validate the method of fragment-based drug design with PDZ domains proteins by deconstruction of a known inhibitor of the interaction in several fragments which were screened by NMR HSQC 1H-15N. Systematic evaluation by NMR of each pair of fragments, followed by molecular modeling study was then used to highlight three new molecules that were synthesized, and evaluated by NMR HSQC 1H-15N. The third strategy was a peptidomimetic approach from the C-terminal of 5-HT2A receptors, which led to the synthesis of a peptoid able to interact with the PDZ domain protein. These studies allow us to consider the development of new analgesics either from organic synthesis or from peptide mimetics.

Au cours de ce travail, nous avons développé des voies de synthèses convergentes et énantiosélectives en vue de préparer des analogues pyrrolidiniques des alcaloïdes de Lobelia comme nouveaux ligands des récepteurs nicotiniques à l’acétylcholine. Deux familles de ligands ont été réalisées par des méthodes d’élongation mono- ou bi-directionnelle basées respectivement sur des stratégies de désymétrisation précoce ou tardive au départ du succinaldéhyde.La première partie de ce manuscrit aborde la conception d’hybrides de lobéline, nicotine et d’agonistes naturels. Ces structures originales ont été obtenues diastéréosélectivement grâce à un intermédiaire commun issu d’une élongation monodirectionnelle du succinaldéhyde. Cette voie exploitera la chimie des iminiums masqués. La mise au point de cette synthèse s’est enrichie par la découverte et la valorisation d’une nouvelle famille de ligands chimériques.La seconde partie étudie la voie d’élongation bidirectionnelle basée sur des réactions de double aza-Michael suivies de la réduction désymétrisante tardive de pyrrolidines 2,5-phénacyl méso et pseudo-méso. Cette stratégie asymétrique s’inscrit dans une démarche d’économie d’atomes et d’étapes. La perspective majeure de ce travail est l’évaluation par électrophysiologie sur différents sous-types de récepteurs à l’acétylcholine d’une sélection de ligands hybrides.Les études de RSA menées sur ces familles de composés de haute homologie structurale permettront in fine d’améliorer les modèles prédictifs décrivant les transitions allostériques des récepteurs nicotiniques à l’acétylcholine / During this PhD work, convergent and diastereoselective routes for the preparation of pyrrolidine Lobelia alkaloid analogues have been developed as novel neuronal nicotinic receptor ligands. Two families of ligands have been synthesized by a strategy of mono- or bi-directional elongation of the succinaldehyde including early or late desymmetrization process respectively.The first part of this manuscript is dedicated to the preparation of hybrids of lobeline, nicotine and other natural agonists. These original structures have been diastereoselectively obtained thanks to a common intermediate resulting of the mono-elongation of succinaldehyde. This synthetic pathway uses the chemistry of masked iminium. The development of this strategy has been enriched by the discovery and the valorisation of a new chimeric ligand family.The second part studies the “bidirectional” elongation route, based on a ring-closing double aza-Michael reaction followed by the desymmetrizing reduction of meso and pseudo-meso 2,5-diphenacyl pyrrolidines. This asymmetric strategy constitutes a step- and atom-economical approach. The major perspective of this work is the biological evaluation of selected ligands by electrophysiology made on different nAChR subtypes.The SAR studies realized on these structurally homologue ligand families could allow the improvement of the predictive molecular models describing the allosteric conformations of the nAChRs.

Tuberculosis affects millions of people worldwide every year. The current treatment for TB is divided into a regimen of both first- and second-line drugs, where first-line treatments are more tolerated and require shorter treatment lengths. With rising levels of resistance, alternative treatment regimes are urgently needed to fight this disease. Ethionamide, a second-line drug is administered as a prodrug which is activated in vivo by the enzyme EthA, which is in turn regulated by EthR. The disruption of the action of EthR could lead to novel therapeutics which could enhance the efficacy of ethionamide, and raise it to a first-line treatment. The work reported in this thesis examines the elaboration of three chemical scaffolds using fragment-based approaches to develop novel inhibitors capable of disrupting the EthR-DNA interaction. The first scaffold, 5-(furan-2-yl)isoxazole was investigated by fragment-merging approaches and produced compounds with the best of these having a KD of 7.4 uM. The second scaffold, an aryl sulfone was elaborated using fragment-merging strategies. This led to several modifications of the fragment, leading to several variants with KDs around 20 uM. With both of these series the affinity could not be improved below 10 uM and due to the synthetic complexity a further scaffold was prioritised. The third scaffold was explored was a 4-(4-(trifluoromethyl)phenyl)piperazine using fragmentgrowing from the NH of the piperazine to probe deeper into the EthR binding pocket. In addition to this, SAR around the 4-(trifluoromethyl)phenyl group was assessed to explore the interactions with EthR. These modifications led to compounds with nanomolar IC50s. A range of compounds were then screened by REMAssay to determine the boosting effect on ethionamide, and this identified compounds with up to 30 times boosting in the ethionamide MIC. The final chapter examines a concept where compounds were designed to exploit the dimeric nature of EthR by linking two chemical warheads with a flexible linker. These compounds are examined using mass spectrometry to investigate the stoichiometry of the interaction to provide insight into the binding of these extended compounds and exploring an alternative strategy to inhibit EthR. The work in this thesis demonstrated the successful use of fragment-based approaches for development of novel EthR inhibitors which showed significant ethionamide boosting effects.

Cette thèse a pour but de développer le pendant in silico des étapes clés du Fragment-Based Drug Design (FBDD), et ce dans le cadre plus général du développement de l'outil S4MPLE. Le FBDD génère des ligands drug-like à partir de petites molécules (fragments). Après une étape de validation de S4MPLE et de sa fonction d'énergie, un recentrage autour du FBDD est réalisé, à travers le docking puis l'optimisation virtuelle de fragments par growing ou linking (G/L). Cette stratégie reposesur 1) la création d'une chimiothèque focalisée en connectant un ou deux fragment(s) avec des linkers pré-générés, et 2) l'échantillonnage avec S4MPLE des composés chimères dans le site avec des contraintes. Des simulations de G/L plus ou moins ambitieuses (site flexible, ajout de H2O libres) permettent de valider cette approche avec des études rétrospectives basées sur des données expérimentales. La dernière phase de la thèse a consisté à appliquer ce protocole in silico à un projet de l'entreprise.

The N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) hypofunctional hypothesis is believed to explain one of the contributing factors to schizophrenia. This hypothesis suggests the dysregulation of NMDAR, a protein responsible for receiving signals from the synapses between neurons, is the cause of some of the symptoms seen in schizophrenia. The post synaptic density protein 95 (PSD95) uses its PDZ-domains to help facilitate the received signal from NMDAR to α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor (AMPAR) which in turn transmits the signal through the neuron. One way to increase the function of NMDAR could be to increase its affinity towards PDZ-domains of PSD95 using a small molecule. Fragment based drug design (FBDD) is one way to screen for molecules that modulates the NMDAR-PDZ interaction. This work describes the development of differential scanning fluorimetry (DSF) and surface plasmon resonance (SPR) assays using a fusion protein to screen for molecules that potentiate the interaction between NMDAR and AMPAR as well as methods assisting in the prioritization of hits based on both affinity, selectivity, and mechanism. The developed assays were used to screen a library containing 768 compounds. Screen positives and other compounds of interest were triaged and evaluated based on affinity, selectivity, and ability to modulated peptide binding resulting in eight confirmed hits that interacts with the two PDZ-domains of PSD95 investigated. As part of this work, the dissociation constant (KD) was determined for a panel of peptides representing versions of the truncated NMDAR GluN2b-subunit C-terminal towards PDZ1 and 2 of PSD95.

La dihyrofolate réductase de type II R67 (DHFR R67) est une enzyme bactérienne encodée par un plasmide donc aisément transmissible. Elle catalyse la réaction de réduction du dihydrofolate (DHF) en tétrahydrofolate (THFA) essentiel pour la prolifération cellulaire. La DHFR R67 est une enzyme qui dépend du cofacteur NADPH. La DHFR R67 est différente, structurellement et génétiquement, de l’enzyme DHFR chromosomale présente chez tous les organismes et elle est résistante au triméthoprime (TMP) qui est largement utilisé dans les traitements antibactériens chez l’Homme. Aucun inhibiteur sélectif contre la DHFR R67 n’est actuellement répertorié. Le but de cette étude a été d’identifier des molécules qui pourront inhiber la DHFR R67 sélectivement, sans affecter la DHFR humaine (DHFRh). La vérification de la qualité des essais enzymatiques en conditions déterminées pour le criblage d’inhibiteurs sur plusieurs lectrices à plaques a identifié des appareils appropriés pour l’analyse. L’étude de l’activité enzymatique de la DHFR R67 et de la DHFRh en présence des solvants organiques et liquides ioniques (LIs), comme des co-solvants pour le criblage rationnel d’inhibiteurs, a montré que certains LIs peuvent servir de milieu alternatif pour les essais enzymatiques. Le criblage rationnel basé sur l’approche du design d’un inhibiteur à partir de petites molécules, a révélé des molécules primaires qui inhibent la DHFR R67 de façon faible, mais sélective. Le test des composés biologiquement actifs qui comprennent des petits fragments, a montré l’augmentation de l’affinité entre la DHFR R67 et les composés testés. Trois composés ont été déterminés comme des inhibiteurs sélectifs prometteurs pour la DHFR R67. / Type II R-plasmid encoded dihyrofolate reductase (DHFR), R67 DHFR is a bacterial enzyme that catalyzes the reduction of dihydrofolate (DHF) to tetrahydrofolate (THFA) which is essential for cell proliferation. R67 DHFR is an enzyme that depends on the cofactor NADPH as the hydride donor. R67 DHFR is distinct, structurally and genetically, from E. coli chromosomal DHFR (DHFR Ec) and it provides drug resistance to the widely-administered antibiotic trimethoprim (TMP). No selective inhibitor against R67 DHFR exists currently. The goal of this study was to discover molecules that can selectively inhibit R67 DHFR, without affecting human DHFR (hDHFR). Verification of the quality of enzyme assays under defined conditions for inhibitor screening on plate readers found several appropriate instruments for analysis. The study of the enzymatic activity of R67 DHFR and hDHFR in the presence of organic solvents and ionic liquids (ILs), as co-solvents for rational screening of inhibitors, showed that ILs can provide alternative media for enzymatic assays. Rational screening based on the approach of fragment-based drug design, revealed primary molecules that inhibited DHFR R67 weakly, but selectively. The testing of more complex compounds with known biological activities gave ligands with increased affinity for R67 DHFR. Three compounds were identified as promising selective inhibitors for R67 DHFR.

La dihyrofolate réductase de type II R67 (DHFR R67) est une enzyme bactérienne encodée par un plasmide donc aisément transmissible. Elle catalyse la réaction de réduction du dihydrofolate (DHF) en tétrahydrofolate (THFA) essentiel pour la prolifération cellulaire. La DHFR R67 est une enzyme qui dépend du cofacteur NADPH. La DHFR R67 est différente, structurellement et génétiquement, de l’enzyme DHFR chromosomale présente chez tous les organismes et elle est résistante au triméthoprime (TMP) qui est largement utilisé dans les traitements antibactériens chez l’Homme. Aucun inhibiteur sélectif contre la DHFR R67 n’est actuellement répertorié. Le but de cette étude a été d’identifier des molécules qui pourront inhiber la DHFR R67 sélectivement, sans affecter la DHFR humaine (DHFRh). La vérification de la qualité des essais enzymatiques en conditions déterminées pour le criblage d’inhibiteurs sur plusieurs lectrices à plaques a identifié des appareils appropriés pour l’analyse. L’étude de l’activité enzymatique de la DHFR R67 et de la DHFRh en présence des solvants organiques et liquides ioniques (LIs), comme des co-solvants pour le criblage rationnel d’inhibiteurs, a montré que certains LIs peuvent servir de milieu alternatif pour les essais enzymatiques. Le criblage rationnel basé sur l’approche du design d’un inhibiteur à partir de petites molécules, a révélé des molécules primaires qui inhibent la DHFR R67 de façon faible, mais sélective. Le test des composés biologiquement actifs qui comprennent des petits fragments, a montré l’augmentation de l’affinité entre la DHFR R67 et les composés testés. Trois composés ont été déterminés comme des inhibiteurs sélectifs prometteurs pour la DHFR R67. / Type II R-plasmid encoded dihyrofolate reductase (DHFR), R67 DHFR is a bacterial enzyme that catalyzes the reduction of dihydrofolate (DHF) to tetrahydrofolate (THFA) which is essential for cell proliferation. R67 DHFR is an enzyme that depends on the cofactor NADPH as the hydride donor. R67 DHFR is distinct, structurally and genetically, from E. coli chromosomal DHFR (DHFR Ec) and it provides drug resistance to the widely-administered antibiotic trimethoprim (TMP). No selective inhibitor against R67 DHFR exists currently. The goal of this study was to discover molecules that can selectively inhibit R67 DHFR, without affecting human DHFR (hDHFR). Verification of the quality of enzyme assays under defined conditions for inhibitor screening on plate readers found several appropriate instruments for analysis. The study of the enzymatic activity of R67 DHFR and hDHFR in the presence of organic solvents and ionic liquids (ILs), as co-solvents for rational screening of inhibitors, showed that ILs can provide alternative media for enzymatic assays. Rational screening based on the approach of fragment-based drug design, revealed primary molecules that inhibited DHFR R67 weakly, but selectively. The testing of more complex compounds with known biological activities gave ligands with increased affinity for R67 DHFR. Three compounds were identified as promising selective inhibitors for R67 DHFR.

Viral proteases play crucial roles in the life cycle and maturation of many viruses by processing the viral polyprotein after translation and in some cases cleaving host proteins associated with the immune response. The essential role of viral proteases makes them attractive therapeutic targets. In this thesis, I provide an introductory summary of viral proteases, their structure, mechanism, and inhibition, while the breadth of this thesis focuses on the Hepatitis C virus (HCV) NS3/4A and Zika virus (ZIKV) NS2B/NS3 viral proteases. HCV NS3/4A protease inhibitors (PIs) have become a mainstay in combination therapies. However, drug resistance remains a major problem against these PIs. In this thesis, I applied insights from the HCV substrate envelope (SE) model to develop strategies for designing PIs that are less susceptible to resistance. Also, I used the HCV NS3/4A protease as a model system to decipher the molecular mechanism and role of fluorination in HCV PIs potency and drug resistance. The drug design strategies described in this thesis have broad applications in drug design. The ZIKV is an emerging global threat, and currently, with no treatment available. In this thesis, I described the discovery, biochemical and antiviral evaluation of novel noncompetitive quinoxaline-based inhibitors of the ZIKV NS2B/NS3 protease. The inhibitors are proposed to interfere with NS2 binding to NS3, thereby preventing the protease from adopting the closed and active conformation. The inhibitors from this work will serve as lead compounds for further inhibitor development toward the goal of developing antivirals.