L'objectif du travail présenté dans cette thèse était la mise au point d'une méthode robuste de synthèse de petites protéines modulaires glycosylées afin de développer des glycoprotéines originales analogues de MUC1 capables d'induire une réponse immunitaire contre MUC1 tumorale.<br />Dans un premier temps, nous avons mis au point la synthèse par ligation chimique d'une petite protéine modulaire triantennée comportant deux unités de répétition de la protéine MUC1 et un épitope T-auxiliaire PADRE liés par des liaisons oxime. Les essais d'immunisation réalisés dans un modèle murin ont montré l'influence de la géométrie branchée et de l'introduction d'un épitope T auxiliaire sur l'immunogénicité de telles chimères. <br />Cette méthodologie a ensuite été appliquée à la synthèse de chimères glycosylées permettant ainsi la première synthèse de protéines modulaires analogues de MUC1 assemblées par des liaisons oxime et portant les épitopes saccharidiques Tn (GalNAc) et T (GalGalNAc). L'immunogénicité de telles constructions a été testée et a permis de comparer l'influence de ces deux épitopes sur l'immunogénicité de nos constructions. Ce travail ouvre la voie à de nombreuses études qui permettraient d'enrichir les connaissances sur le rôles des sucres dans la fonction de petites glycoprotéines ainsi que leur influence sur la réponse immunitaire dirigée contre MUC1 tumorale.

Bien que la synthèse peptidique en phase solide (SPPS) soit maintenant une technique mature et très largement popularisée pour des peptides simples, certaines séquences restent encore compliquées à produire, comme les peptides riches en ponts disulfure (DRPs). Ces produits naturels, ligands sélectifs d’un grand nombre de cibles thérapeutiques, sont des outils pharmacologiques de premier ordre et sont considérés comme de bons candidats médicaments. La proportion importante de cystéines dans leur séquence (plus de 10%) leur confère des propriétés remarquables, mais limite aussi leur synthèse,conduisant à des purifications HPLC délicates, associées à des rendements faibles et une pureté médiocre.Dans l’optique de simplifier la production de DRPs par voie chimique, notre but est de proposer une méthode de purification non-chromatographique. Pour cela, nous avons développé un bras N-terminal conçu pour être complètement compatible avec les peptides riches en cystéines: Boc-Cys(Trt)-1-{6-[1,3-diméthyl-2,4,6(1H,3H,5H)trioxopyrimidine-5-ylidène]hexyle}. A la fin de l’élongation sur support solide, ce bras est introduit sélectivement à l'extrémité N-terminale du peptide cible, sans réagir avec les peptides tronqués acétylés qui constituent les principales impuretés de la SPPS. Après coupure de la résine SPPS, le peptide cible est immobilisé sur un second support solide par le biais d’une réaction de ligation chimique native(NCL). Les peptides tronqués sont alors éliminés par simple filtration, puis le peptide cible est relargué en solution par coupure du bras N-terminal. Ayant comme objectif d’élargir par la suite notre stratégie à la synthèse de très longs DRPs via l’assemblage de multiples segments peptidiques par NCLs successives enphase solide, nous avons étudié en détail la stabilité et les conditions de coupure du bras.La méthode a été appliquée à la purification de deux séquences naturelles riches en cystéines et biologiquement pertinentes : AvBD2 (36 AA), un peptide antimicrobien appartenant à la famille des β défensines aviaires et Bv8 (77 AA) un peptide d’amphibien de la famille des prokinéticines. / Although solid phase peptide synthesis (SPPS) is a mature and widely popularized technique for simple peptides, some sequences are still complicated to produce, such as disulfide-rich peptides (DRPs). These natural products are able to selectively bind a wide number of therapeutically relevant targets, hence they are considered as promising drug candidates and pharmacological tools. The large proportion of cysteines in their sequence (more than 10%) confers them remarkable properties, but also limits their synthesis, lead ingto delicate HPLC purifications associated with low yields and poor purity.With the aim to simplify the chemical production of DRPs, we have developed an N-terminal linker: Boc-Cys(Trt)-1-{6-[1,3-dimethyl-2,4,6(1H,3H,5H)trioxopyrimidine-5-ylidene]hexyl}, which can be used for non chromatographiccatch-and-release purifications. It has been designed to be completely compatible with unprotected cysteine-containing peptides. Following solid phase elongation, this linker is selective lyintroduced at the N-terminus of the target peptide, leaving unreacted truncated acetylated peptides which are the main co-products of SPPS. After cleavage from the SPPS resin, the target peptide is immobilized on a second solid support through native chemical ligation (NCL). The truncated peptides are then removed by simple filtration. Cleavage of the linker finally releases the purified peptide into solution.Having in mind the future extension our strategy to the synthesis of very long DRPs through successive solid-supported NCLs of multiple peptide segments, we have studied in detail the stability and cleavage conditions of the N-terminal linker.To explore the scope and limitations of the method, it has been applied to the purification of two biologically-relevant cysteine-rich peptide sequences: chicken AvBD2 (36 AA), a β defensin antimicrobial peptide, and Bv8 (77 AA), a prokineticin-like peptide from yellow-bellied toad.

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la synthèse et l'étude biologique de vecteurs peptidiques pour des applications en diagnostic et/ou thérapie du cancer.Nous avons utilisé des châssis cyclodécapeptidiques fonctionnalisés de façon chimiosélective par des éléments de ciblage et des effecteurs. Ces châssis, dotés de quatre ligands c[RGDfK], possèdent une forte affinité pour les récepteurs intégrine avB3 qui sont surexprimés dans de nombreux cancers et par les cellules endothéliales de l'environnement tumoral. Ils sont en revanche peu exprimés par les tissus sain. La présentation multivalente des ligands -RGD- permet également au châssis d'être internalisé par les cellules tumorales.Nous avons donc mis au point des molécules composées du châssis peptidique, de quatre ligands -RGD- pour le ciblage tumoral, et de différents effecteurs pour plusieurs applications. A travers de multiples collaborations, nous avons relié ce vecteur à un agent hautement toxique (cryptophycine), un photosensibilisateur (DHP), un peptide pro-apoptotique (BAX), un complexe de Gallium 68 (pour une étude clinique de phase I pour une application en imagerie TEP). Nous avons également greffé ces châssis présentant quatre motifs -RGD- à des polymères ou à des nanoparticules de silice, tous deux fluorescents.Le projet principal de cette thèse était la conception de vecteurs ciblant deux récepteurs tumoraux de manière simultanée. En plus de cibler l'intégrine avB3, nous avons ciblé le récepteur NRP1 qui est lui aussi surexprimé lors de l'angiogenèse tumorale. Nous avons exploité divers réactions chimiosélectives (oxime, cycloaddition de Huisgen, amidation) pour concevoir des vecteurs fluorescents ciblant l'un des deux récepteurs ou les deux à la fois. Des tests biologiques in vitro et in vivo ont été réalisés. Il s'avère que les composés à double ciblage permettent une très bonne détection de la tumeur, mais non supérieure à des composés à mono ciblage. En revanche, la réponse cellulaire déclenchée par les composés à double ciblage est unique, et totalement différente d'une co-injection. Nous avons plusieurs éléments qui tendent à prouver qu'un complexe NRP1-vecteur-Intégrine se formerait et resterait ancré au niveau de la membrane cellulaire, bloquant son internalisation. / This thesis work is about conception, synthesis and biological activities of peptide vectors for diagnostic and/or therapeutic applications against cancer.We used cyclodecapeptidic scaffolds chemoselectively handled with targeting elements and effectors. Those scaffolds presenting four c[RGDfK] ligands have a strong affinity for integrin avB3 receptors, wich are overexpressed in various cancers and by endothelial cells from the tumor surrounding. They are poorly expressed in healthy tissues. The multivalent presentation of -RGD- motifs higly increases the internalisation of the scaffold by tumor cells. Thus we developed molecules composed by four -RGD- motifs for tumor targeting, and different effectors for various applications. Thanks to multiple collaborations, we linked the vector to a highly cytotoxic compound (cryptophycine), a photosensitiser (DHP), a pro-apoptotic peptide (BAX), a DOTA complex (for 68-Ga complexation, for PET applications). We also grafted the cyclodecapeptide bearing four -RGD- motifs to polymers or silica nanoparticles, both fluorescent.The main project of this thesis was the conception of dual targeting vectors. Our objective was to simultaneously target two receptors overexpressed in the tumor periphery. Beside the targeting of avB3, we decided to target the NRP1 receptor, which is also overexpressed during tumor angiogenesis. We exploited various chemoselective reactions (oxime, huisgen cycloaddition, peptide coupling) to synthesise fluorescent vectors targeting one of the two receptors, or both. In vitro and in vivo biological experiments were realised. We discovered that dual targeting compounds allow a really good tumor detection, but inferior to mono targeting ones. Nevertheless, the cellular answer triggered by dual targeting compounds is totally different from those obtained with other compounds, including co-injection. We found different elements that tend to show that a NRP1-vector-integrin could be formed, and would be blocked inside the cellular membrane, resulting in its internalisation's blocking.

Les peptides Cα-thioester jouent un rôle central dans la synthèse de protéines par voie chimique : ils sont des partenaires clés dans la ligation chimique native (NCL), réaction qui a révolutionné ce domaine. L’accès à ces peptides par Fmoc-SPPS, méthode largement utilisée dans les laboratoires, est encore restreint à des experts. Cette limitation représente à l’heure actuelle un frein à la démocratisation de la synthèse de protéines par NCL. Le premier volet de cette thèse décrit la conception et le développement d’une nouvelle méthode bioinspirée de synthèse de précurseurs de peptides thioester, fondée sur un dispositif de thioestérification intramoléculaire de type N-(2-hydroxy-5-nitrobenzyl)-cystéine (N-Hnb-Cys). La synthèse des peptides portant ce dispositif a été totalement automatisée à partir de réactifs peu couteux et ne requière pas d’étapes post-SPPS avant la NCL. La conception biomimétique du dispositif –ce dernier opérant via un réarrangement par transfert d’acyle N→S–, résulte en des cinétiques de NCL rapides à pH neutre. Un large éventail de précurseurs de thioester a été synthétisé, ceci nous a permis d’explorer le potentiel et les limites de la méthodologie, tout en soulignant son efficacité même pour des « séquences difficiles » et de longs peptides. Cette approche a été appliquée à la synthèse par ligation d’une gamme représentative de peptides naturels riches en cystéines, issus du venin d’un serpent, de mollusques, de primates ou encore de plantes. En particulier, nous avons décrit la première synthèse d’une Big-défensine (93 acides aminés), issue de l’huitre et dont l’activité biologique est en cours d’évaluation. Par ailleurs, une voie synthétique originale pour accéder à des peptides comprenant une cystéine C-terminale a été proposée. Elle repose sur l’introduction de cet acide aminé par NCL, évitant les réactions secondaires inhérentes aux approches existantes. Nous avons également appliqué notre approche à la synthèse par NCL intramoléculaire du squelette peptidique cyclique de plusieurs produits naturels, avec des rendements remarquables. L’ensemble de nos résultats est extrêmement encourageant pour la généralisation de notre approche. / Peptide Cα-thioesters play a prominent role in the chemical synthesis of proteins: they are key partners in native chemical ligation (NCL), a reaction that has revolutionized the field. Nonetheless, access to such peptides via the widely used Fmoc-SPPS is still limited to experts. This limitation is currently an obstacle to further popularization of NCL-based protein synthesis. The first part of this thesis describes the design and optimization of a new bio-inspired methodology for the synthesis of peptide thioester precursors, based on an N-(2-hydroxy-5-nitrobenzyl)-cysteine intramolecular thioesterification device (N-Hnb-Cys). Synthesis of peptides bearing this device was fully automated, starting from inexpensive materials. Importantly, no post-SPPS steps are required prior to NCL. The biomimetic design of the device –that operates through an N→S acyl shift–, results in fast NCL kinetics at neutral pH. A broad range of thioester precursors has been synthesized; this allowed us to explore the scope and limitation of the methodology, while stressing its efficiency even for demanding sequences and long peptides. This approach has been applied to the ligation-based synthesis of a representative variety of naturally occurring disulfide-rich peptides (DRP) sequences, from snake venom, molluscs, primates and plants. In particular, we have described the first synthesis of a Big-defensin (93 amino acids), discovered in oyster and whose biological activity is currently under evaluation. Furthermore, an original method for the synthesis of C-terminal cysteine-containing DRP has been proposed. It is based on the introduction of this amino acid through NCL, avoiding side reactions inherent to existing approaches. We have also applied our approach to the intramolecular NCL-based synthesis of the cyclic backbone of several DRP, with remarkable yields. Altogether, our results are extremely encouraging for the generalization of this methodology.

Utiliser la liaison peptidique dans des systèmes dynamiques covalents est très difficile en raison de sa stabilité intrinsèque. Dans ce travail, une nouvelle méthodologie pour échanger fragments peptidiques dans des conditions biocompatibles est décrite. Légères modifications du groupe amine d'un résidu de cystéine en peptides modèle permettent l'activation spécifique de cette jonction peptidique pour des réactions d'échange covalent. Grâce à un mécanisme de ligation chimique native réversible, fragments peptidiques sont échangés en solution aqueuse à pH physiologique et en présence de dithiothréitol (DTT), avec des demi-temps d'équilibration de 2 à 10 heures. Différentes possibles applications biologiques de cette nouvelle réaction réversible à peptides et glycopeptides sont aussi proposées. / The possibility to use the peptide bond in dynamic covalent systems is very challenging because of its intrinsic stability. In this work, a novel methodology to exchange peptide fragments in bio-compatible conditions is described. The introduction of small modifications to the N-terminus of a cysteine residue in model peptides allows for the specific activation of that peptide bond for exchange reactions. Through a reverse Native Chemical Ligation (NCL) mechanism, peptide fragments were scrambled in aqueous solution at physiological pH and in the presence of dithiothreitol (DTT), with half-times of equilibration in the 2-10 h range. Additionally, possible biological applications of this new reversible reaction to both peptides and glycopeptides are proposed.

Ce travail est consacré au développement d’une nouvelle méthode de synthèse d’analogues bioactifs de protéinesen utilisant des réactions successives de cycloaddition entre les alcynes terminaux et les azotures (CuAAC).Pour pouvoir effectuer des cycloadditions itératives, nous avons étudié la stabilité et les conditions de coupure dedifférents groupements masquants des alcynes terminaux. Cette étude a été valorisée par le développement d’unestratégie originale pour réaliser un triple cycloaddition successive une même molécule basée sur la protectiontemporaire de la fonction alcyne.La méthode a été appliquée à la synthèse d'un analogue de la stéfine A humaine, un inhibiteur naturel deprotéases à cystéine d’intérêt thérapeutique. Pour cela, nous avons mis au point des conditions de CuAACsuccessive compatibles avec des peptides déprotégés de façon beaucoup à obtenir in fine un analogue bis-triazolede la stéfine A. Les études par dichroïsme circulaire et d’inhibition de diverses protéases à cystéines confirmentque notre analogue synthétique conserve la structure et l’activité biologique de la protéine native.La stratégie de ligation triazole successive a été étendue par la mise au point de conditions pour réaliser desligations sur phase solide. La méthodologie développée permet la synthèse de protéines de façon plus rapide etplus simple que par des procédés classiques de ligation successive en solution. Dans l’optique de la synthèse destructures glycopeptidiques capables d’induire une réponse immunitaire contre MUC1 tumorale, nous avons réaliséla synthèse d’analogues peptidiques de MUC1 par ligation successive sur phase solide de 160 acides aminés. / The aim of this work was the development of a novel method for the synthesis of triazolo-proteins by multiplesuccessive copper-catalyzed azide-alkyne cycloadditions (CuAAC).In order to achieve several successive cycloadditions, we have studied the stability and cleavage conditions ofseveral alkyne protective groups. This study leaded us to the development of an original strategy in order toachieve three successive cycloadditions on a same scaffold by temporal protection of alkyne functionalities.The method has been applied to the synthesis of an analogue of human stefin A, a natural inhibitor of severaltherapeutically relevant cysteine proteases. Therefore, we have developed CuAAC conditions compatible withunprotected peptide ligation. The strategy allowed us to obtain a bis-triazolo analogue of human stefin A. Circulardichroism and enzymology assays on several cysteine cathepsins revealed that the synthetic analogue hasretained the folding and full biological activity of the native protein.In order to expand the possibilities of this strategy, we have developed reaction conditions allowing us to performsuccessive triazole ligation on solid phase. This methodology avoids the need for a time-consuming and laborintensivepurification step before and after each ligation. With the aim of exploring the use of analogues of thetumor-associated form of the glycoprotein MUC1 to induce a specific immune response, we have synthesized atriazolo-analogue of MUC1 of 160 aminoacids using solid phase peptide ligation.

Les peptides vecteurs ou CPP sont de petits peptides, en général de taille inférieure à 30 acides aminés. Parmi les nombreux CPP décrits dans la littérature, les peptides riches en arginine ont fait l'objet d'une attention particulière. Plusieurs modifications chimiques du squelette peptidique conduisant à une distribution spatiale différente des groupes fonctionnels, ou encore l'introduction de chaînes aliphatiques ont été effectuées pour accroitre la capacité du peptide à traverser la membrane de la cellule. L'objectif de ce travail a été le développement de nouveaux peptides vecteurs cycliques contenant un domaine cationique minimal et pouvant être acylés par une chaîne aliphatique. Quinze nouveaux transporteurs cycliques, dont les peptides vecteurs classiques Pénétratine et R6W3ont été synthétisés. La cyclisation tête-queue par ligation chimique native a été rendue possible par l'introduction d'un résidu cystéine et d'une fonction thioester (ou précurseur) respectivement aux extrémités N et C-terminales des différentes séquences de CPP. Leur aptitude à transporter le peptide bioactif PKCi dans des cellules CHO a été évaluée par quantification de la cargaison internalisée en utilisant la spectrométrie de masse MALDI-TOF. Les résultats indiquent une meilleure internalisation essentiellement par voie d'endocytose dépendante des glycosaminoglycanes, suite à la cyclisation des CPP comparés à leur version linéaire. De toute la série des lipopeptides testés dans ce projet, deux séquences se distinguent par leur capacité remarquable à franchir les membranes cellulaire : les CPP [C12-R4] et [C12-R7]. / Cell-penetrating peptides (CPPs) are short, cationic or amphipatic peptides, usually containing less than 30 amino acids, which are able to deliver various bioactive cargoes inside cells. Among the many CPPs described in the literature, the arginine-rich peptides have attracted particular attention. Several chemical modifications of the peptide backbone leading to different spatial distributions of the CPP functional groups, or the introduction of aliphatic chains have been made to enhance their internalization efficiency. The aim of this work was the synthesis of new cyclic CPPs containing a minimal cationic domain and their functionalisation with an aliphatic chain. We have synthesised a small library of fifteen new cyclic carriers including the classical CPPs Penetratin and R6W3 using native chemical ligation (NCL) in solution. The introduction of an N-terminal Cys residue and of a C-terminal thioester (or precursor) in the initial linear peptide sequence allowed the head-to-tail cyclisation. The efficiency of cargo delivery in CHO cells was measured by MALDI-TOF mass spectrometry. We found that cyclisation of CPPs improved their internalisation efficiency mostly by glycosaminoglycan-dependent endocytosis. Among the whole series of lipopeptides tested in this project, two sequences are distinguished by their remarkable ability to cross cellular membranes: the peptides [C12-R4] and [C12-R7].

La ligation chimique implique la liaison des molécules de manière covalente pour former un nouveau complexe ayant les propriétés combinées de ses composants individuels. Ainsi, les composés naturels ou synthétiques avec leurs activités individuelles peuvent être conjuguer pour créer des substances possédant des caractéristiques uniques. Un domaine d' intérêt particulier à ces procédures est le marquage de protéines. Afin de simplifier et d'accélérer la découverte de nouvelles réactions de ligation bioselectives, nous avons conçu un système de screening rapide pour attribuer de la sélectivité et de la réactivité d'un groupement fonctionnel vers une série de dérivés d'acides aminés traçable. Une fonction chimique à propriétés prometteuse – 3-arylpropiolonitrile (APN) – a été identifiée. Les études comparatives ont démontré que cette technique offrait une meilleure sélectivité et stabilité par rapport à la technologie classique basée sur l’utilisation du groupement maléimide. L’utilisation de l’APN permet d’obtenir des bioconjugués propres et résistants à la décomposition, ce qui est d’une importance cruciale pour les applications médicales. Étude structure-réactivité nous a permis d'optimiser ses propriétés et de préparer une série de sondes fonctionnelles, dont un a été utilisé pour tester la sélectivité d'APN sur les mélanges modèles de peptides. De plus, les APN ont été trouvés à posséder une sélectivité élevée vers sélénocystéine: un acide aminé rare mais très important présent dans de nombreux enzymes actives. Une série des APN a été testée pour son activité inhibitrice envers une enzyme contenant sélénocystéine – thiorédoxine réductase – et s'est révélé posséder des activités élevées Enfin, une approche combinatoire de type split and mix a été développée visant à identifier des séquences peptidiques possédant la réactivité élevée avec les réactifs biosélectifs déjà connus. / Chemical ligation involves the linking of molecules in covalent manner to form a novel complex having the combined properties of its individual components. Thus, natural or synthetic compounds with their individual activities can be chemically combined to create unique substances possessing carefully engineered characteristics. A field of especial interest in such ligation procedures is protein labeling.To accelerate the discovery of new bioselective ligation reactions, we designed a screening system for fast assigning of the selectivity and reactivity of a given functional group owards series of UVGtraceable amino acid derivatives. As a result of our screening a promising cysteineGselective scaffold–3Garylpropiolonitrile (APN)–was identified. Its remarkable selectivity, high reactivity and of both starting and addition products in aqueous and organic media represents an important advantage compared to methodologies classically used for cysteine tagging. StructureGreactivity study allowed us to optimise its properties and toprepare a series of funcional probes, one of which was used for!an accurate test of APN selectivity on model mixtures of peptides. Furthermore, APN were found to possess an elevated selectivity towards selenocysteine:ararebut very important amino!acid found in many active enzymes.A series of APN was tested for their inhibitory activity towards one of such selenocysteineGcontaining enzyme–thioredoxine reductase–and was found to possess promising activities, which however still must be!optimised.Lastly, a screening system devoted to the discovery of reagents reactivity towards a sequence of amino acid residue was elaborated and allowed us to determine presumable discrepancy in reactivity of APN depending on the amino acid residue neighbouring the cysteine moiety. Such difference in reactivity may represent an important advantage for bioconjugation, and is currently under further investigation.