De nombreux glycoclusters multivalents des calixarènes, des pillararènes ou des fullerènes ont été synthétisés au sein de notre laboratoire et ont montré d'excellentes affinités pour diverses lectines grâce à leur multivalence et au « glycoside cluster effect ». Nous avons cherché à approfondir ces résultats en ajoutant un degré de dynamisme à ces molécules. Pour cela, nous avons appliqué les concepts de la chimie combinatoire dynamique où des briques moléculaires s'auto-assemblent via des liaisons réversibles pour générer à l'équilibre thermodynamique une chimiothèque d'oligomères. Des briques moléculaires dithiophénols glycosylés sont capables de s'auto-assembler via la formation de ponts disulfures. Leurs propriétés ont été investiguées en chimie combinatoire dynamique et la distribution d'espèces résultant de l'équilibration a montré la formation exclusive des cyclotrimères et cyclotétramères, ou dyn[3]- et dyn[4]arènes. La répétition de l'expérience en présence d'une lectine modèle (ConA) a mené à l'amplification des homodyn[3]- et homodyn[4]arènes. Ces derniers ont été isolés par HPLC semi-préparative et leurs affinités pour ConA ont été mesurées en ITC dans le domaine du nanomolaire. Une extension de cette méthodologie aux lectines LecA et LecB de Pseudomonas aeruginosa est en cours / Several glycoclusters based on calixarenes, pillararenes or fullerenes have been synthesized in our laboratory. They exhibited strong affinities for several lectins through their multivalence and the “glycoside cluster effect”. The prupose of this study was to add a dynamic part to these molecules. We therefore applied the concept of dynamic combinatorial chemistry in which building blocks are able to self-assemble through reversible bonds to generate a library of oligomers. Dithiophenols bearing carbohydrate epitopes can self-assemble through the formation and exchange of disulfide bonds. Their properties in dynamic combinatorial chemistry were studied and the species distribution at the thermodynamic equilibrium revealed the selective formation of cyclotrimers and cyclotetramers named dyn[3]- and dyn[4]arenes. The equilibration in the presence of ConA, used as a model lectin, have led to the amplification of homodyn[3]- and homodyn[4]arenes. These glycodyn[n3,4]arenes have been isolated and their affinities toward ConA measured by ITC in the nanomolar range. Extension of this methodology toward the lectins LecA and LecB of Pseudomonas aeruginosa is in progress

Sur-exprimée par les cellules endothéliales des néo-vaisseaux tumoraux, l'intégrine alphaV béta3 (aVb3) constitue une cible judicieuse pour atteindre les foyers tumoraux et empêcher la vascularisation des tumeurs. À ces fins, nos travaux ont été consacrés à la conception, la synthèse et la caractérisation biologique de nouveaux vecteurs synthétiques ciblant l'intégrine aVb3. Le squelette du vecteur est un cyclodécapeptide RAFT, présentant deux faces d'adressage indépendantes, permettant la séparation dans l'espace du domaine des ligands, assurant le ciblage du vecteur, de celui supportant les molécules à vectoriser. La fonction de ciblage est assurée par la présentation de quatre motifs cyclopentapeptidiques c[-RGDfK-], ligands de l'intégrine aVb3, greffés sur la face supérieure du RAFT. L'architecture multivalente a été synthétisée de manière convergente par formation de liens éthers d'oxime, stables in vitro et in vivo, grâce à des réactions chimiosélectives hautement efficaces. La conjugaison du vecteur RAFT(c[-RGDfK-])4 à diverses molécules de détection a permis d'étudier ses propriétés biologiques in vitro et in vivo. Son interaction avec les cellules HEK293(b3) induit le clustering des intégrines aVb3 et conduit à un phénomène d'endocytose récepteur-dépendante. Chez un modèle animal murin, le vecteur (Cy5)RAFT(c[-RGDfK-])4, administré par voie systémique, détecte des tumeurs localisées ou métastatiques. Pour accroître son efficacité anti-tumorale, nous avons conjugué notre vecteur à différentes drogues cytotoxiques. Le peptide (KLAKLAK)2, la doxorubicine et la chaîne A de la ricine ont été couplés par des liens disulfures favorisant leur libération intracellulaire.

L'interaction non-covalente entre un ligand et un récepteur selon un modèle clé-serrure constitue une des bases essentielles de tout système biologique. La présence de multiples clés et serrures sur les biomolécules conduit à des interactions multivalentes. Les lectines sont très fréquemment structurées en homo-multimères et sont donc des cibles de choix pour l'étude des interactions avec des structures multivalentes glycosylées. Ligands et récepteurs multivalents peuvent obéir à plusieurs mécanismes d'association conduisant à des profils thermodynamiques et cinétiques permettant de rationnaliser les améliorations spectaculaires d'affinité souvent observées. L'utilisation de ligands de faible valence et de petite taille permet une présentation contrôlée des sucres au travers d'une structure unique bien définie. Ces glycoclusters sont des plateformes adaptées à l'étude de l'influence de la topologie de la présentation des sucres sur l'interaction. La synthèse de glycoclusters a été optimisée selon une voie convergente de glycosylation puis de couplage par CuAAC permettant la synthèse de structures multi-glycosylées telles que des calix[4]arènes de différentes conformations, des peptoïdes linéaires et cycliques ou encore des porphyrines. Ces ligands ont été évalués par quatre techniques d'analyse des interactions (HIA, ELLA, SPR, ITC) principalement en présence de la lectine PA-IL de Pseudomonas aeruginosa mais également avec la Galectine-1 humaine et la lectine d'Erythrina cristagalli (légumineuse). Des glycoclusters de seconde génération ont été ensuite été préparés avec l'objectif d'optimiser les composantes enthalpiques et entropiques de l'interaction. Les résultats indiquent que de légères modifications de la présentation des sucres peuvent induire des mécanismes d'association différents. La conception de structures rigidifiées a révélé des profils thermodynamiques contre-intuitifs qui ont pu être modélisés. Par cette étude, plusieurs ligands ont montré des affinités sans précédent pour la lectine PA-IL. Le meilleur ligand multivalent de première génération a confirmé un potentiel thérapeutique prometteur in vivo.

La capacité des lectines à reconnaître spécifiquement des glycoconjugués à la surface de cellules en font des outils de diagnostic biomédical pour les pathologies associées à des changements de glycosylation (inflammation, du cancer ...). De par leur interaction avec les glycosphingolipides, ces protéines peuvent aussi être utilisées pour étudier le trafic membranaire. Toutefois, un nombre réduit de lectines sont actuellement disponibles, limitant leur utilisation dans les biotechnologies et la recherche. Le but de ma thèse est d'une part de concevoir des néo-lectines de valence et topologie contrôlées pour comprendre l'effet de la multivalence sur le mécanisme d'endocytose, et d'autre part de concevoir des lectines de spécificité modulable afin de les utiliser dans la reconnaissance spécifique des cellules tumorales.RSL est une lectine à fucose de la bactérie Ralstonia solanacearum qui a une structure en β-propeller formée par l'association de trois monomères présentant deux sites de liaison très similaires. Cette protéine trimérique et hexavalente a été choisie comme structure de base pour la conception de néolectines. Des RSLs trivalentes ont été produites par mutation d'un acide aminé essentiel pour la stabilisation du fucose. Leur caractérisation a démontré qu'ils avaient perdu la capacité d'invaginer la membrane plasmique. Une protéine de même structure que RSL mais monomérique a été ingénierée, puis une librairie de plus de 13 mutants de valence présentant différentes topologies a été créée. L'analyse de tous les mutants a permis de démontrer que la formation de tubules dans les membranes dépend plus de la distance entre les sites que du nombre de sites.Nous avons ensuite mis au point un protocole de bio-informatique afin de prédire l'orientation et la conformation d'oligosaccharides fucosylés dans les sites de fixation de plusieurs lectines à fucose. Les affinités relatives ont pu être calculées avec une bonne corrélation avec les valeurs expérimentales. La modélisation et la structure cristallographique des complexes entre RSL et les oligosaccharides Lewis X et Sialyl Lewis X indiquent un changement conformationnel du glycanne très inhabituel lors de l'interaction, donnant ainsi des pistes pour la conception de mutants de plus haute spécificité. / The ability of lectins to specifically recognize glycoconjugates on cell surface makes them excellent biomedical diagnostics tools for diseases associated with glycosylation changes (e.g inflammation, cancer, etc.). Furthermore, because of their interaction with glycosphingolipids, lectins may also be used to study membrane trafficking. However, only small number of lectins are currently available, limiting their use in biotechnology and research. The aim of my thesis was first to develop neolectins with controlled valency and topology to understand the effect of multivalency on the endocytosis mechanism, and second to design lectins with tuned specificity for the recognition of tumor cells.RSL is a fucose binding lectin from the bacterium Ralstonia solanacearum which has a β-propeller structure that is formed by the association of three monomers each having two very similar binding sites. This trimeric and hexavalent protein was chosen as the scaffold structure for the design of neolectins. Trivalent RSLs were created by mutating an amino acid with essential role in fucose binding. Characterization showed that these mutants lost the ability to invaginate the plasma membrane. In addition, monomeric RSL was engineered and a library of more than 13 mutants, with different topologies and valencies, was created. Analysis of these mutants showed that the formation of tubules in the membrane depends mostly on the distance between the sites rather than on the number of sites.Then we developed a bioinformatic protocol to predict the orientation and conformation of fucosylated oligosaccharides in the binding sites of several fucose binding lectins. The relative affinities could be calculated with a good correlation to experimental values. Both the model and the crystal structures of RSL complexed with sialyl Lewis X and Lewis X oligosaccharides indicate a very unusual conformational change of the glycan during the interaction. These studies pave the way for the design of mutants with higher specificity.

Une des principales limites de la chimiothérapie du cancer est le manque de sélectivité des agents cytotoxiques vis-à-vis des cellules tumorales, entrainant de nombreux effets secondaires. L’intérêt de la vectorisation est d’administrer l’agent cytotoxique sélectivement aux cellules cancéreuses et ainsi d’éviter de faire subir l’action du médicament aux cellules saines. Cette thèse a pour but de synthétiser des prodrogues multivalentes qui utilisent la sous unité B de la toxine de Shiga (STxB) comme agent de vectorisation, ciblant préférentiellement les cellules cancéreuses Gb3-positives. Les deux agents cytotoxiques choisis, un dérivé de la camptothécine et de l’auristatine, ont été liés de façon covalente auvecteur via un espaceur bifonctionnel clivable par le glutathion. L’espaceur a également été remplacé par un répartiteur multivalent susceptible de délivrer une quantité plus importante d’agent cytotoxique à l’intérieur des cellules tumorales.Parallèlement à ce projet de vectorisation d’un agent thérapeutique, des sondes IRM capables de marquer in vivo les tumeurs possédant à leur surface le récepteur Gb3 ont été synthétisées. L’IRM a une très bonne définition spatiale, mais souffre d’un manque de sensibilité. Pour augmenter le contraste, nous avons utilisé une stratégie reposant sur lamultivalence des espaceurs liés à des molécules de DOTA-Gd, un agent de contraste classiquement utilisé en IRM. Ces dernières ont été fixées à STxB via un répartiteur multivalent (des nano-bâtonnets d’or). Le signal IRM est plus intense et donc plus facile à détecter. Enfin, nous avons développé une nouvelle méthode chimique basée sur la ligationoxime pour optimiser la création de conjugués entre STxB et des antigènes comme outils de vaccination. Le conjugué STxB-ovalbumine a permis une meilleure présentation de l’antigène par les cellules dendritiques, conduisant chez la souris à une induction efficace de lymphocytes T. / Pas de résumé en anglais

Les interactions sucre-lectine jouent un rôle très important dans de nombreux processus biologiques comme les infections par des virus ou des bactéries. Toutefois, ces interactions étant faibles, la présentation de manière multivalente des résidus saccharidiques est nécessaire pour obtenir une augmentation significative des constantes d'association. Une technique basée sur l'utilisation de glycooligonucléotides et d'une puce à ADN utilisée comme plateforme d'ancrage a permis d'étudier l'affinité d'un grand nombre de composés envers les lectines PA-IL et PA-IIL de Pseudomonas aeruginosa et la lectine BambL de Burkholderia ambifaria. Les glycooligonucléotides ont été synthétisés, à partir de blocs de construction synthétisés en aval, en utilisant la chimie des acides nucléiques supportée et automatisée (phosphoramidites et H-phosphonate) ainsi que des réactions de « click chemistry » (la cycloaddition 1,3-dipolaire catalysée par le cuivre (I) ou le couplage thiol par addition de type Michael ou par substitution nucléophile d'un dérivé bromoacetamide).Les glycoclusters ayant montrés une bonne affinité envers les lectines cibles ont été sélectionnés et resynthétisés en solution sans l'étiquette ADN à l'échelle de la centaine de milligrammes. Les glycoclusters ainsi synthétisés en deux ou trois étapes avec une seule purification ont pu être évalués par quatre techniques d'analyse des interactions (HIA, ELLA, SPR et ITC) en présence des lectines PA-IL, PA-IIL et BambL. Nous avons trouvé un tétragalactocluster et un tétrafucocluster possédant une forte affinité envers la lectine PA-IL et BambL respectivement avec des valeurs de Kd de 157 nM et 43 nM. / Carbohydrate-lectin interactions play a key role in various biological processes such as infection by viruses or bacteria. As these interactions are weak, the multivalent association of carbohydrate is necessary to increase the binding constant. We used glycooligonucleotide and DNA chip to study the affinity of diverse compounds to PA-IL and PA-IIL lectins of Pseudomonas aeruginosa and Bambl lectin of Burkholderia ambifaria. Glycooligonucleotides were synthesized with previously prepared building blocks, using automated supported nucleic acid chemistry (phosphoramidites and H-phosphonate) and “Click chemistry” (copper (I) catalyzed 1,3-dipolar cycloaddition, thiol coupling by Michael addition and nucleophilic substitution of bromoacetamide derivative).Glycoclusters showing the better affinities toward the lectins have been synthesized to a hundred milligrams scale in solution without the DNA tag. The synthesis processes in two or three steps and only one final purification. Their interactions with the lectins PA-IL, PA-IIL and BambL were studied by several assays (HIA, ELLA, SPR and ITC). A tetragalactocluster and a tetrafucocluster showed high affinity toward respectively the lectin PA-IL (Kd = 157 nM) and the lectin BambL (Kd = 43 nM).

La recherche actuelle sur le cancer se tourne vers des « stratégies ciblées » afin de développer de nouvelles méthodes diagnostiques plus sensibles et performantes, ainsi que de nouvelles thérapies plus efficaces mais aussi mieux tolérées. Dans ce contexte, nos travaux sont consacrés à la conception de vecteurs synthétiques ciblant un récepteur cellulaire surexprimé par les tumeurs, l'intégrine alphaVbeta3. Ce ciblage permet de concentrer les drogues ou les éléments de détection au niveau tumoral. L'outil utilisé pour la construction chimique de nos vecteurs est un châssis décapeptidique cyclique RAFT (Regioselectively Addressable Functionalized Template) présentant deux domaines indépendants permettant de séparer les deux fonctions du vecteur. Sur un domaine, la fonction de ciblage est assurée par la présentation multivalente de ligands -RGD- spécifiques du récepteur. L'autre domaine du vecteur supporte les molécules d'intérêt à vectoriser : agents thérapeutiques pour limiter la prolifération du foyer malin ou agents de détection pour l'imagerie médicale.

Le présent projet vise à analyser l'influence de la multivalence dans les interactions sucres-lectines. En collaboration avec des équipes externes, une étude par microscopie à force atomique (AFM) de l'interaction entre des ligands synthétiques de différentes valences et leurs lectines spécifiques a été entreprise. Dans le cadre de cette étude, une première caractérisation fondamentale de l'interaction sucre-lectine a été menée. Cette caractérisation concerne plus particulièrement l'influence de la multivalence sur les forces d'adhésion et la dynamique de l'interaction entre les ligands synthétiques multivalents et une lectine modèle, la lectine d'arachide PNA. Une seconde caractérisation, d'aspect plus appliqué, concerne l'utilisation des ligands synthétiques multivalents dans une approche thérapeutique antiadhésive pour le traitement des infections urinaires chroniques dues à Escherichia coli uropathogène (UPEC). Le caractère innovant des ligands (obtenus par une synthèse chimique rationnelle) ainsi que l'approche utilisée pour caractériser leurs interactions avec les lectines à l'échelle moléculaire par AFM témoigne de l'originalité du projet.

L'interaction non-covalente entre un ligand et un récepteur selon un modèle clé-serrure constitue une des bases essentielles de tout système biologique. La présence de multiples clés et serrures sur les biomolécules conduit à des interactions multivalentes. Les lectines sont très fréquemment structurées en homo-multimères et sont donc des cibles de choix pour l'étude des interactions avec des structures multivalentes glycosylées. Ligands et récepteurs multivalents peuvent obéir à plusieurs mécanismes d'association conduisant à des profils thermodynamiques et cinétiques permettant de rationnaliser les améliorations spectaculaires d'affinité souvent observées. L'utilisation de ligands de faible valence et de petite taille permet une présentation contrôlée des sucres au travers d'une structure unique bien définie. Ces glycoclusters sont des plateformes adaptées à l'étude de l'influence de la topologie de la présentation des sucres sur l'interaction. La synthèse de glycoclusters a été optimisée selon une voie convergente de glycosylation puis de couplage par CuAAC permettant la synthèse de structures multi-glycosylées telles que des calix[4]arènes de différentes conformations, des peptoïdes linéaires et cycliques ou encore des porphyrines. Ces ligands ont été évalués par quatre techniques d'analyse des interactions (HIA, ELLA, SPR, ITC) principalement en présence de la lectine PA-IL de Pseudomonas aeruginosa mais également avec la Galectine-1 humaine et la lectine d'Erythrina cristagalli (légumineuse). Des glycoclusters de seconde génération ont été ensuite été préparés avec l'objectif d'optimiser les composantes enthalpiques et entropiques de l'interaction. Les résultats indiquent que de légères modifications de la présentation des sucres peuvent induire des mécanismes d'association différents. La conception de structures rigidifiées a révélé des profils thermodynamiques contre-intuitifs qui ont pu être modélisés. Par cette étude, plusieurs ligands ont montré des affinités sans précédent pour la lectine PA-IL. Le meilleur ligand multivalent de première génération a confirmé un potentiel thérapeutique prometteur in vivo. / Following Fischer's “lock-key“ concept, non-covalent interactions between a ligand and its receptor is one of the most fundamental process of any biological system. The presence of multiple keys and locks at the surface of many biomolecules leads to multivalent interactions. Lectins are appropriate partners for the study of multivalent interactions with multivalent glycoconjugates since lectins are generally organized as homomultimers. Association of ligands and receptors can occur through several mechanisms leading to distinct thermodynamic and kinetic patterns. Thermodynamic and kinetic parameters often rationalize the impressive affinity improvement observed in the context of multivalent interactions. Small and low valency multivalent ligands provide a neat organization of carbohydrates through a single well-defined structure. These glycoclusters are appropriate probes for studying the influence of the overall topology on the interaction. Glycocluster synthesis was optimized according to a convergent strategy consisting of a glycosidation reaction followed by multiple CuAAC couplings. This strategy yielded a library of glycoclusters based on conformers of calix[4]arenes, linear and cyclic peptoids and porphyrins scaffolds. Glycoclusters were evaluated thanks to a combination of four biochemical techniques (HIA, ELLA, SPR, ITC) mainly versus PA-IL, a tetrameric lectin from Pseudomonas aeruginosa. Further investigations of these ligands were performed with a plant lectin from Erythrina cristagalli and with human galectin-1. Second generation glycoclusters were prepared in order to optimize enthalpic and entropic contributions to the interaction. Results indicate that a slight modification of the glycocluster topology could induce different mechanisms. The design of glycoclusters with stiffened linkers highlights unexpected entropic patterns. Molecular modeling of these linkers provided rationalization of these entropic patterns on the basis of Boltzmann distribution. This work present glycoclusters with an unprecedented affinity for PA-IL. The best first generation glycocluster confirmed promising therapeutic potentialities in vivo.

Les composantes innée et acquise de l'immunité travaillent ensemble pour assurer une protection efficace de l'organisme. Les cellules dendritiques, cellules sentinelles de l’immunité capturent via des récepteurs de surface les agents pathogènes et les présentent aux lymphocytes T pour stimuler les réponses immunitaires adaptatives spécifiques. Une famille de ces récepteurs, nommée Récepteurs Lectines de type C (CLRs) ont un rôle important dans la reconnaissance de motifs oligosaccharides des pathogènes. Leurs fonctions sont parfois détournées par certains pathogènes à leur avantage et notamment le VIH. La reconnaissance du virus par DC-SIGN, une des CLRs, favorise la dissémination du virus. A l’inverse, la langerine, autre CLR, est considérée comme une barrière naturelle au VIH. Ainsi, DC-SIGN est devenue une cible thérapeutique prometteuse mais sa reconnaissance des ligands osidiques est largement partagée par la langerine.Ce travail vise à développer des antagonistes de DC-SIGN spécifiques et de hautes affinités permettant de rivaliser avec la présentation multivalente des glycosylations de gp120 du VIH avec DC-SIGN. Une approche rationnelle a été employée dans le développement de ligands glycomimétiques hautement sélectifs pour DC-SIGN à partir de l’étude du site de liaison des deux CLRs. Puis, des plates-formes de présentations de ces glycomimétiques, de valences et de géométries différentes, sont comparées par SPR. Les améliorations spectaculaires d'affinités parfois observées sont liées à différents mécanismes d’interactions multivalentes responsables d’un phénomène d’avidité.Sur une des architecture de présentation sélectionnée (RODs), un travail de caractérisation fine des mécanismes responsables de ce gain d’affinité et/ou d’avidité a été conduit par la combinaison de plusieurs techniques biophysiques (SPR, ITC, polarisation de fluorescence et AUC). L’influence de la topologie de cette structure sur les mécanismes d’interactions est ainsi mise en évidence. Par les travaux menés, plusieurs ligands multivalents ont montré des affinités sans précédent pour DC SIGN atteignant des affinités du nanomolaire et représentant les meilleurs inhibiteurs connus à ce jour.Associé au développement d’antagonistes multivalents, une CLR (DCIR) a été identifiée récemment comme impliquée dans la dissémination du VIH, comme DC¬SIGN. Dans une perspective future de développement de glycomimétique, des travaux ont été menés sur la caractérisation structurale et fonctionnelle de ce nouvel acteur dans la problématique VIH. / The innate and acquired immunity components work together to provide efficient protection of organisms. Dendritic cells, sentinel cells of the immunity, are able to capture pathogens through their receptors on the surface and they can present the antigens to lymphocytes T in order to stimulate specific adaptive immune responses. Among these receptors, there is a family named C-type lectin receptors (CLRs), which has an important role in the recognition of pathogenic oligosaccharide motifs. CLRs can be hijacked by many pathogens including HIV. DC-SIGN, one of the CLRs, interacts with the virus and promotes its dissemination. Unlike DC-SIGN, langerin, another CLR, has a protective role against the HIV infection. In this context, DC-SIGN became a promising therapeutic target but it shares ligand specificities with langerin.This work aims to develop highly specific antagonists against DC-SIGN in order to compete with the multivalent glycosylated gp120 protein of HIV. Using the study of the two lectins binding sites as starting point, a rational approach has been exploited to develop highly selective glycomimetics against DC SIGN. The SPR technique was used to investigate multivalent platforms with different valencies as well as ligand presentation in space. The amazing improvement of the affinity observed in some cases can be linked to different mechanisms of multivalent interactions, leading to an avidity phenomenon. On a selected scaffold (RODs), we characterized the different mechanisms responsible for the affinity and/or avidity gains, using a combination of different biophysical techniques (SPR, ITC, fluorescence polarization, AUC). In this work, we highlighted that the topology of this structure can influence the mechanisms of interactions. Overall, different multivalent ligands showed unique affinities for DC-SIGN, reaching the nanomolar affinity range, and they represent the best inhibitors to date.Finally, another CLR has been recently identified as one of the protein involved in the HIV infection as well as DC-SIGN. In a future perspective of glycomimetic development, structural and functional characterization has been done on this new actor involved in the HIV issue.