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<p>  </p> <p>Seven-membered ring structures are one of the most important structural motifs found widely in natural products and bioactive molecules. Although several [5+2]-cycloaddition reactions have been developed to construct these seven membered cores, asymmetric cycloaddition reactions are less explored. Described in Chapter-1 is a base mediated intramolecular diastereoselective [5+2]-cycloaddition reaction that afforded highly functionalized seven membered rings in good yields and excellent diastereoselectivities. The high diastereoselectivity is controlled by the alkyl stereocenter and the chain length of the alkene tether. The existing chirality of the substrate can direct the stereochemical outcome of the [5+2]-cycloaddition reaction. Furthermore, this methodology has been applied to synthesize various potent HIV-1 protease inhibitors. </p> <p>COVID-19 pandemic has profoundly affected life around the globe and costed us 6 million lives. Therefore, there is an urgent need for rational design of new drug candidates to specifically target different SARS-CoV-2 proteins. Recently, Pfizer developed an FDA-approved antiviral therapeutic agent, Paxlovid, targeting SARS-CoV-2 3CLpro. Chapter-2 discusses a concise synthetic route to synthesize active component of Paxlovid, Nirmatrelvir, in 6-steps without any epimerization. We have also developed a series of potent covalent inhibitors targeting SARS-CoV-2 3CLprotease and compared the antiviral activities of these inhibitors with that of Nirmatrelvir. </p> <p>In the final chapter, a concise partial synthesis of the segment A of (-)-Rafonin is discussed. (-)-Rasfonin is an antitumor agent that induces apoptosis in <em>ras</em>-dependent cells. We have proposed an asymmetric chiron approach to install the α-pyranone ring of rasfonin. Our goal is to perform SAR studies on this natural product by designing various analogues. </p>

This dissertation presents the development of a synthetic strategy to produce various spiroligomer-based macrocycles that bridge the gap between organic molecules and small proteins. “Spiroligomers” (formerly known as “bis-peptides”) are a class of molecules produced by the assembly of “bis-amino acids”, molecules containing two amino acid regions on a single cyclic core. Each bis-amino acid is connected through pairs of amide bonds to form a diketopiperazine consequently eliminating single bond rotation and, therefore, avoids the complicated folding process common to the field of peptidomimetics. Spiroligomers are shape-programmable since the three-dimensional structure is controlled by the stereochemistry of the bis-amino acid monomers used in the synthesis, the connectivity of the monomers, and the number of monomers used. Furthermore, bis-amino acids can contain additional functional groups attached to multiple locations on the monomer which allows each spiroligomer, once synthesized, the ability to display these functional groups in predictable three-dimensional coordinates, with respect to each other. The synthesis of large spiroligomer-based structures requires the production of large amounts of bis-amino acid monomers. To this end, the scale of the synthesis of proline-based bis-amino acids from inexpensive trans-4-hydroxy-L-proline has been increased roughly 5-fold with respect to the previously published method. In addition to the time and solvent savings as a result of increasing the scale, the synthetic steps have been altered with considerations to ensure the production takes place in a convenient and environmentally friendly manner. Additionally, the desire to synthesize large spiroligomer-based structures means that the synthesis of each spiroligomer fragment must be as efficient and high-yielding as possible. To achieve this goal, a new synthetic approach to highly functionalized spiroligomers on solid support has been developed that results in increased yields relative to previously published methods. This new approach makes use of a protecting group, para-nitrobenzyl carbamate, which has not previously been incorporated in bis-amino acids as well as a pentafluorophenol ester activation strategy that also has not been in the synthesis of spiroligomers. Finally, an extendable synthetic route to spiroligomer-based macrocycles has been developed and representative macrocycles have been synthesized. This approach uses solid support to assemble multiple spiroligomers together through amino acids linkers before being cyclized in solution at dilute concentration to yield the desired macrocycles. Minimal functionality was included in the representative macrocycles to simplify structural information, confirmed by NMR and other means, and the macrocyclic structures were further investigated for host-guest activity using fluorescent, solvatochromic dyes. / Chemistry

Résumé : La protéolyse par les proprotéines convertases (PC) représente une étape cruciale de maturation pour de nombreux peptides et protéines destinés aux voies de sécrétions cellulaires. Parmi ces substrats des PC, de nombreuses molécules participent aux étapes clés de progression tumorale. L’enzyme PACE4, une des PC, est d’ailleurs surexprimée dans le cancer de la prostate et des études antérieures réalisées dans notre laboratoire démontrent que cette protéase occupe un rôle essentiel et non redondant dans la progression du cancer de la prostate. Puisque PACE4 représente une cible thérapeutique potentielle pour le traitement du cancer de la prostate, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse vise à développer un inhibiteur pharmacologique de PACE4 et d’évaluer son potentiel thérapeutique. Le développement d’inhibiteur spécifique à la PACE4 représente un défi de taille, puisque le site actif des PC démontre un fort niveau d’homologie. Bien que les sous-sites S1 à S4 des PC soient hautement conservés, la littérature suggère qu’il existe des déterminants moléculaires exploitables au sein des sous-sites S5 à S8. Ainsi, ces observations suggèrent qu’une sélectivité d’inhibition pourrait provenir de courts peptides. En analysant les profils d’inhibition obtenus pour divers peptides inhibiteurs des PC, la séquence Ac-LLLLRVKR-NH[indice inférieur 2], nommée Multi-Leu, a été identifiée comme inhibiteur permettant d’obtenir une préférence d’inhibition 20 fois plus importante pour PACE4 que pour Furine. Dans le but d’améliorer les propriétés pharmacocinétiques du composé et permettre son utilisation comme inhibiteur pharmacologique, des études de relation structure-activité ont été conduites. Ces études ont permis de déterminer que le peptide Multi-Leu est sujet à une dégradation par des exopeptidases, et par conséquent l’addition d’acides aminés non naturels aux extrémités N et C-terminales permet d’augmenter la stabilité du composé. Suivant cette étude, la modification amidinobenzylamide (Amba) a été introduite en position P1, permettant d’augmenter la puissance d’inhibition du composé, ainsi qu’un stéréoisomère D-Leucine en position P8. La caractérisation du potentiel inhibiteur du peptide Ac-[DLeu]LLLRVK-Amba démontre l’efficacité du peptide in vivo alors qu’une administration par voie intra veineuse du composé parvient à freiner la progression tumorale dans un modèle de xénogreffes de cancer de la prostate. Dans ce modèle, l’analogue du peptide Multi-Leu parvient à bloquer la néovascularisation tumorale en plus d’induire la quiescence et l’apoptose dans les tumeurs traitées. // Abstract : Numerous secreted peptides or proteins require a proteolytic activation by the proprotein convertases (PC) to fully gain their biologic activities. Among substrates of the PC family, there exist various cancer-related molecules. The enzyme PACE4, one of the seven kexinlike PC has been demonstrated to be overexpressed in prostate cancer and to have a nonredundant role in prostate cancer progression. Since PACE4 is a validated therapeutic target for prostate cancer, the main aim of this thesis was to develop a pharmacologic PACE4 inhibitor and to evaluate its therapeutic potential. The development of PACE4 specific inhibitors represents a challenge since PC share an important homology level within their active site. Whereas S1 to S4 subsites appear to be highly homologous within the PC family, litterature suggests that significant differences exist in subsites S5 and beyond, suggesting that peptide compound could result in specific inhibitors. In this thesis, the Multi-Leu peptide (Ac-LLLLRVKR-NH[subscript 2]) was identified as a selective PACE4 inhibitor, which displays a 20-fold inhibitory preference toward PACE4 over furin. In order to improve Multi-Leu peptide pharmacokinetic profile, structureactivities relationship studies were performed and allowed for the identification of two modifications that increase both inhibitory properties and stability of this molecule. Peptide resulting from introduction of an arginine mimetic residue amidinobenzylamide (Amba) in P1 and a stereoisomer D-Leucine in position P8 displayed an improved pharmacokinetic profile. Futhermore, intravenous administration of the compound Ac-[DLeu]LLLRVKAmba significantly inhibited prostate cancer progression in a LNCaP xenograft model of prostate cancer. This Multi-Leu peptide analog also inhibited tumor neovascularisation along with inducing cell quiescence and apoptosis in tumors of treated animals.

La naissance avant terme constitue un important problème de santé périnatale partout dans le monde. Chaque année près de 15 millions de bébés naissent prématurément. Notre laboratoire s’intéresse depuis une décennie à la conception et le développement de nouvelles classes thérapeutiques (appelés agents tocolytiques) capables d’inhiber les contractions utérines et prolonger le temps de gestation. Due à son implication directe dans le déclanchement des contractions utérines, la prostaglandine F2α (FP) est devenue notre cible de choix. Le PDC 113.824 et aza-glycinyl-proline sont apparus comme des inhibiteurs allostériques puissants du récepteur de la prostaglandine F2α, capables de prolonger la durée de gestation chez les souris. Le travail réalisé au cours de ce mémoire a pour objectif d’étudier le tour β nécessaire pour la reconnaissance sur le récepteur de la prostaglandine F2α. Dans la conception de mime peptidique sélectif efficace et puissant, le repliement β est un élément structural essentiel pour le maintien ou l’amélioration de l’activité du mime peptidique. Les études conformationelles du PDC113.824 et l’aza-glycinyl-proline montrent que les squelettes centraux de ces mimes peptidiques pourraient adopter essentiellement un tour β de type I ou II`, ce qui suggère l’implication des deux types de tours dans l’activité biologique. La synthèse de mimes peptidiques adoptant le tour β de type I et II` est devenue une stratégie logique dans la recherche de nouveaux agents tocolytiques. Au cours de ces études quatre analogues du PDC113.824 ont été synthétisés, un azabicyclo[5.3.0]alkanone et un dipeptide macrocyclique (mimes du tours β de type I) pour étudier l’implication du tour β type I. Par la suite la synthèse de glycinyl-proline et le D-alaninyl-proline (des mimes du tour β du type II`) a été réalisée afin de valider l’implication du tour β type II` dans la reconnaissance sur le récepteur. Nous avons utilisé une stratégie de synthèse efficace pour obtenir les deux analogues (azabicyclo [5.3.0]alkanone et dipeptides macrocycles) à partir d’un intermédiaire commun, en procédant par une cyclisation transannulaire diastéréosélective du tétra-peptide. / Preterm birth is a major perinatal health problem. Worldwide each year, more than one baby on ten is born premature, accounting for approximately 15 million babies per year. Pursuing molecules that can delay labour, so called tocolytics, we have targeted the prostaglandin F2α receptor (FP), because of its intimate involvement with the stimulation of uterine contractions leading to birth and preterm birth. Our laboratory has previously demonstrated that PDC-113.824 and azapeptide can modulate FP function by an allosteric mechanism featuring biased signalling, and can delay labour in a mouse model. The objective of the present work is to study the active turn geometry responsible for the modulatory effects of our lead tocolytic agents on the prostaglandin F2α receptor. Crystal structure and computational analyses of indolizidin-2-one amino acid and aza-glycinyl-proline components have shown them to adopt geometry that mimic ideal type I and II’ β-turns suggesting the potential involvement of such turns in the biological activity. To study the relevance of a type I β-turn on activity, we have prepared analogs possessing macrocyclic and pyrroloazepinone dipeptide mimics, because of their reported propensities to mimic type I β-turns. The syntheses of analogs possessing glycinyl-proline and D-alaninyl-proline were conducted to validate the involvement of a type II` β-turn in receptor recognition. In addition, we reported an efficient strategy for preparing the macrocyclic and pyrroloazepinone dipeptide mimics from a common intermediate using a diastereoselective transannular cyclization on a tetrapeptide precursor.

La formation des agrégats des peptides et des protéines par l'interaction de feuillets β a de plus en plus attiré l'attention car elle se produit dans de nombreuses maladies humaines généralisées, telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA), la maladie d'Alzheimer (AD), la maladie de Parkinson (PD), les maladies à prions et la maladie de Huntington (HD). La maladie d'Alzheimer est la forme la plus courante de démence qui provoque la perte de la mémoire chez les personnes âgées. En 2013, il y avait 35 millions de personnes souffrant de AD à travers le monde, un chiffre qui devrait doubler d'ici 2050. Etiologiquement ces maladies se manifestent par des dépôts anormaux de protéines, y compris les plaques neuritiques séniles (PNS) et les dégénérescences neurofibrillaires (DNF). L'accumulation extracellulaire d'agrégats insolubles de la protéine β-amyloide (A) conduit à la formation de plaques séniles, tandis que DNF se produisent à l’intérieur des neurones et sont composés par des filaments hélicoidaux appariés de la protéine tau hyperphosphorylée. Les peptides A sont produits en tant que monomères solubles et subissent l'oligomérisation et la formation de fibrilles amyloides par un processus qui n’a pas été complètement clarifié. Il est suggéré que les peptides Aß solubles jouent un rôle important dans la croissance neuronale, la survie et la modulation synaptique, tandis que les oligomères et fibrilles ont des propriétés toxiques. Une nouvelle stratégie thérapeutique vers la prévention ou le traitement de maladies associées à des structures -feuillet et, en particulier, AD, est représentée par la synthèse de mimes de -brins qui peuvent antagoniser la formation ou la reconnaissance de feuillet ß. En fait, dans la maladie d’Alzheimer, le processus d'agrégation des protéines implique une transition de la structure secondaire non ordonnée/α-hélice à une conformation riche en feuillet β, conduisant à la formation de feuillet croisés. Sur la base des quelques données publiées récemment sur des mimes d’épingles  et en particulier des structures macrocycliques de Nowick, comme inhibiteurs de l'agrégation des protéines, nous avons supposé qu’une pré-structuration des molécules peptidomimétiques pourrait augmenter leur affinité pour les peptides A et donc augmenter leur activité inhibitrice de l'agrégation. Notre conception vers un mime d’épingle stable, qui pourrait interagir et éventuellement agir en tant que ligand de feuillets β et inhibiteur de l'agrégation, implique l’assemblage d’une dicétopipérazine bifonctionnelle en tant que scaffold , d’un brin peptidomimétique pour stabiliser la formation de feuillets β et enfin d’une séquence peptidique convenable pour la liaison à la protéine. Ces molécules ont montré une interaction avec le peptide Aβ1-42 ainsi qu’une modulation de la cinétique d’agrégation. / The formation of peptide and protein aggregates through the interaction of β-sheets has increasingly drawn attention since it occurs in many widespread human diseases, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), Alzheimer’s disease (AD), Parkinson's disease (PD), prion diseases, and Huntington's disease (HD). Alzheimer’s disease is the most common form of dementia that causes memory loss in the elderly. In 2013, 35 million people were afflicted with AD worldwide, a number expected to double by 2050. Etiologically, the most common findings are abnormal protein deposits, including senile neuritic plaques (SNPs) and neurofibrillary tangles (NFTs). The extracellular accumulation of insoluble aggregates of β-amyloid protein (Aβ) leads to the formation of senile plaques, whereas NFTs occur intracellulary and are composed of paired helical filaments of hyperphosphorylated tau protein. Aβ peptides are produced as soluble monomers and undergo oligomerization and amyloid fibril formation via an unclear process. It is suggested that soluble A peptides play an important role in neuronal growth, survival, and synaptic modulation, while the oligomers and fibrils have toxic properties. Mimicking -strands to antagonize -sheet formation or recognition represent a new therapeutic strategy toward the prevention or treatment of diseases associated with -sheet structures such as AD. In this pathology, protein aggregation process involves a secondary structure transition from unordered/α-helix to a β-sheet rich conformation, leading to cross β-sheet structure formation. Based on the few recent published data on β-hairpin mimics, in particular on the macrocyclic structures of Nowick, as inhibitors of protein aggregation, we hypothesized that pre-structuring the peptidomimetic molecules might increase their affinity for Aβ peptides and thus increase their aggregation inhibitory activity. Our design towards a stable β-hairpin mimic (Figure 1), which could interact and eventually act as a β-sheet binder and aggregation inhibitor, involved assembling of a bifunctional diketopiperazine scaffold , a peptidomimetic strand to stabilize the formation of β-sheets and finally a suitable peptide sequence for binding to the aggregating protein. These molecules were shown to interact with the native Aβ1-42 peptide and modulate the kinetics of aggregation.

Les protéines amyloïdes sont impliquées dans de nombreux processus pathologiques de maladies qui restent souvent incurables. Ces protéines solubles dans leur forme native, s’auto- assemblent pour former des oligomères, des fibrilles, des fibres et enfin des agrégats riches en feuillets β. C’est ce processus délétère qui est le point commun entre ces maladies amyloïdes. La protéine amyloïde la plus décrite est le peptide Aβ suspecté de jouer un rôle primordial dans la maladie d’Alzheimer. Récemment, les petits oligomères du peptide Aβ1-42 formés lors des étapes précoces de ce processus ont été décrit comme étant les plus toxiques.Au cours de cette thèse, nous avons donc développé deux méthodes pour pouvoir évaluer l’activité des composés synthétisés sur les étapes précoces de l’oligomérisation et une pour étudier l’affinité du peptide Aβ1-42 pour son ligand. Nous avons également conçu et synthétisé des peptidomimétiques comme ligands du peptide Aβ1-42 capables ainsi de perturber les interactions protéine-protéine du processus d’agrégation du peptide Aβ1-42. L’évaluation de ces composés ainsi que de différents ligands synthétisés au laboratoire a permis une intéressante étude sur la relation entre la structure des composés évalués et leurs activités sur les étapes cruciales du processus d’oligomérisation du peptide Aβ1-42. Des études de viabilité cellulaire, de RMN et de Docking sont en cours pour améliorer notre compréhension du mode d’action de ces composés et du processus d’oligomérisation du peptide Aβ1-42. / Amyloid proteins are involved in many pathological processes of diseases that are often incurable. These soluble proteins in their native form self-assemble to form oligomers, fibrils, fibers and finally aggregates rich in β-sheets. It is this deleterious process which is the common point between these amyloid diseases. The most described amyloid protein is the Aß peptide suspected of playing a key role in Alzheimer's disease. Recently, small peptide Aβ1-42 oligomers formed during the early stages of this process have appeared to be the most toxic species.In this thesis, we have developed two methods to evaluate the activity of different synthesized compounds on the early steps of oligomerization and one method to study the affinity of Aβ1-42 peptide for its ligand. We have also designed and synthesized peptidomimetics as ligands of Aβ1-42 peptide which are able to disrupt protein-protein interactions involved in the aggregation process of Aβ1-42 peptide. Evaluation of these compounds as well as other ligands synthesized in the laboratory allowed an interesting study on the relationship between the structure of the tested compounds and their activities on the critical steps of the oligomerization process of Aβ1-42 peptide. Cell viability studies, NMR and docking are underway to improve our understanding of the mode of action of these compounds and of the oligomerization process of Aβ1-42 peptide.

Le médulloblastome (MB) est la plus fréquente des tumeurs cérébrales malignes pédiatriques qui représentent la première cause de mortalité par cancer chez l’enfant. Malgré les avancées des nouveaux traitements, les risques de récidive, séquelles et décès après traitement restent importants. Le récepteur de neuropiline-1 (NRP-1) a été récemment impliqué dans la progression tumorale des MBs et semble jouer un rôle important dans le phénotype des cellules souches cancéreuses (CSCs). Le ciblage de cette molécule pourrait ainsi présenter un intérêt thérapeutique dans le traitement des MBs. Nous avons sélectionné des cellules souches de MB capables de former des médullosphères (MS) à partir de 3 lignées cellulaires (DAOY, D283-Med et D341-Med). Ces modèles ont été caractérisés par l’expression de neuropilines (NRP-1 and NRP-2) et de marqueurs phénotypiques (CD133，CD15 et NF-M). Les résultats ont montré une augmentation significative de l’expression de NRP-1 par les cellules cultivées en médullosphères confortant notre stratégie de ciblage. L’impact du traitement de ces cellules par un composé innovant ciblant spécifiquement NRP-1, le MR438, a été ensuite évalué in vitro seul et association avec la radiothérapie notamment sur l’étude de la capacité d’auto-renouvellement des CSCs de MBs. Nous avons mis en évidence une diminution de la capacité d’autorenouvellement des cellules souches de MBs après exposition au MR438 avec une radiosensibilité augmentée pour les 3 modèles cellulaires. In vivo, le composé MR438 a été evalué sur des modèles de xénogreffes hétérotopiques chez la souris nude et montre un effet radiopotentialisant significatif pour les tumeurs issues de la lignée Daoy avec une tendance à la diminution de la progression tumorale pour les 2 autres lignées. De façon intéressante, le composé MR438 induit une diminution significative du nombre de cellules souches pour l’ensemble de nos modèles. Par conséquent, le composé semblerait induire les cellules souches vers un phénotype différencié au moins pour la lignée DAOY, même si les mécanismes n’ont pas pu être clairement élucidé. En conclusion, l’inhibition de NRP-1 via MR438 semble stimuler la différenciation des cellules souches cancéreuses pouvant à terme réduire la progression du MB et apporter un bénéfice en association avec la radiothérapie. L’evaluation du composé sur des modèles orthotopiques de MB permettrait d’obtenir des informations quant à son efficacité sur des modèles plus proche de la physiopathologie tenant compte de sa distribution au niveau cérébral / Medulloblastoma (MB) is the most common malignant pediatric brain tumors which is the leading cause of cancer death in children. Despite the progress of new treatments, the risk of recurrence, morbidity, and death after treatment remain important. The neuropilin-1 receptor (NRP-1) has recently been implicated in tumor progression of MBs, which seems to play an important role in the phenotype of cancer stem cells (CSCs). Targeting this molecule could thus present an interesting therapeutic value in the treatment of MB. We have selected cancer stem like cells of MBs in the form of medullospheres (MSs) from 3 cell lines (DAOY, D283-Med and Med-D341). These models were characterized by expression of neuropilins (NRP-1 and NRP-2) and phenotypic markers (CD133, CD15 and NF-M). Results showed a significant increase of the expression of NRP-1 by our CSCs models cultured in MSs that confirms our targeting strategy. The impact of the treatment of these cells with an innovative compound specifically targeting NRP-1, MR438, was then evaluated in vitro alone and in association with radiotherapy, especially on the study of the capacity for self-renewal. A decrease of self-renewal capacity for MB stem cells after exposition of MR438 with an increase of radiosensitivity for the 3 cell models in vitro was demonstrated. In vivo, MR438 was evaluated on heterotopic xenograft models in nude mice and showed a significant augmentation of radiosensitivity for DAOY tumors with a tendency to decrease tumor progression for the other 2 cell lines. Interestingly, the compound MR438 induced a significant decrease in the number of stem cells for all of our models. The compound appeared to induce CSCs to a differentiated phenotype at least for the DAOY cells, although mechanisms could not be clearly elucidated. In conclusion, inhibition of NRP-1 via MR438 seems to stimulate the differentiation of CSCs that may eventually reduce the progression of MB and bring a benefit in association with radiotherapy. Evaluation of this compound on orthotopic models of MB would provide information on its effectiveness on models closer to the physiopathology taking into account its distribution at the cerebral level

<p>Bicyclic dihydrothiazolo fused 2-pyridones have been studied as a new class of antibacterial agents, termed pilicides, that target the formation of adhesive bacterial surface organelles (pili) in pathogenic bacteria. Synthetic methods to further functionalize the bicyclic 2-pyridone scaffold have been developed in order to increase water-solubility and thereby facilitate biological evalua-tions. This was accomplished by introducing aminomethylenes at the open position C-6. Tertiary amines were introduced via a microwave–assisted Mannich reaction and a synthetic route based on a formyl intermediate gave access to primary, secondary and tertiary amines, but also to other interesting functionalities. Biological evaluation confirmed that several of the function-alized compounds inhibited pili formation in uropathogenic <i>E. coli</i>., as dem-onstrated by assays of hemagglutination, biofilm formation and adherence to bladder cells. Co-crystallizing one of the pilicides with the target protein gave information about the binding site and based on this a mechanism of action was proposed, which was supported experimentally by surface plas-mon resonance and single point mutations in the protein.</p><p>Furthermore, the previously developed acylketene imine reaction used to prepare bicyclic thiazolo fused 2-pyridone pilicides has been developed to allow preparation of other ring-fused 2-pyridone systems. Benzo[a]quinolizine-4-ones and indolo[2,3-a]quinolizine-4-ones could be prepared in a fast and simple manner starting from dihydroisoquinolines and a β-carboline. Finally, this method could also be applied for the preparation of heteroatom analogs of the previously studied sulfur containing pilicides. Biological evaluations established that the sulfur atom can be replaced by oxygen and still maintain the ability to prevent pili assembly.</p>