La phophomannose isomérase de type I (PMI), une métalloenzyme à zinc, et la phosphoglucose isomérase (PGI), catalysent l’isomérisation réversible du β-D-fructose-6-phosphate (F6P), respectivement en β-D-mannose-6-phosphate (M6P) et en α-D-glucose-6-phosphate (G6P). Ces deux enzymes sont des cibles thérapeutiques potentielles. La phosphoglucose isomérase humaine (hPGI), connu également sous le nom de facteur de motilité autocrine (AMF), stimule, en plus de son activité glycolytique intracellulaire, la migration des cellules in vitro et le développement de métastases in vivo. D'autre part, Candida albicans est la principale levure impliquée en pathologie humaine. Ces dernières années, un problème de résistance du germe aux antifongiques classiques est apparu. En conséquence, la recherche se dirige vers de nouvelles cibles thérapeutiques, dont la PMI de C. albicans (CaPMI) qui joue un rôle important dans la biosynthèse de structures mannosylées nécessaires à la survie du pathogène. Les réactions catalysées par ces deux enzymes mettent en jeu le même intermédiaire de haute énergie (IHE) de type 1,2-cis-ènediolate, sauf qu’il est coordiné au zinc dans le cas de la PMI. La surexpression ainsi que la purification de CaPMI et de hPGI ont été réalisées au laboratoire. Une petite chimiothèque a été créée à partir du 5-phospho-D-arabinono-1,4-lactone (5-PAL) en modulant la partie tête de l’IHE. Un groupe chélatant du zinc (zinc binding group, ZBG) a été introduit dans plusieurs composés dans le but d’inhiber sélectivement CaPMI. De plus, deux composés possédant en partie tête une fonction amine terminale ont été synthétisés pour inhiber spécifiquement la PGI humaine en ciblant un résidu glutamate du site actif de l'enzyme (Glu357). Toutes ces molécules ont d’abord été testées sur la PGI du muscle de lapin et la PMI de E. coli commerciales, et par la suite sur la CaPMI et la hPGI surexprimées. Une série de bons voire très bons inhibiteurs de hPGI, et donc potentiellement anti-métastatiques, a été découverte. Ces composés ne sont cependant pas inhibiteurs de la CaPMI. Deux structures tridimensionnelles à haute résolution de complexes enzyme-inhibiteur ont été obtenues. Au delà des aspects thérapeutiques, mécanistiques et structuraux, un biocapteur électrochimique à base d'un des inhibiteurs synthétisés a été réalisé pour la détection de hPGI qui est un biomarqueur validé de cancers métastatiques. Ce biocapteur a démontré une limite de détection de 43 fM dans du tampon phosphate (PBS). / Phosphoglucose isomerase (PGI) and type I phosphomannose isomerase (PMI), a zinc metalloenzyme, catalyze the reversible isomerization of β-D-fructose 6-phosphate (F6P) to α-D-glucose 6-phosphate (G6P) and β-D-mannose 6-phosphate (M6P), respectively. These two enzymes are potential therapeutic targets. Human PGI (hPGI) often called as AMF-PGI (autocrine motility factor-PGI), in addition to its intracellular glycolytic activity, stimulates cell migration in vitro and metastasis in vivo. Inhibition of its extracellular activity is obviously interesting in oncology. On the other hand, Candida albicans is the main yeast involved in human pathology. During recent years, resistance of this pathogenic fungus to conventional antifungal drugs appeared. Consequently, research is moving towards new therapeutic targets, including C. albicans PMI (CaPMI) that plays an important role in the biosynthesis of mannosylated structures required for pathogen survival. The reactions catalyzed by these two enzymes involve the same high energy intermediate (HEI) type 1,2-cis-enediolate, except that it is coordinated to the zinc active site in the case of PMI. Overexpression and purification of both CaPMI and hPGI were performed in our laboratory. A small chemical library was created from the synthon 5-phospho-D-arabinono-1,4-lactone (5-PAL) by modulating the head part of the HEI. A zinc binding group (ZBG) was introduced in several compounds in order to selectively inhibit the CaPMI enzyme. Moreover, two compounds with a terminal amine function were designed to selectively inhibit hPGI by targeting a glutamate residue of the enzyme (Glu357). All these molecules were first tested on rabbit muscle PGI and PMI from E. coli, and later on CaPMI and hPGI. None of these compounds are good inhibitors of CaPMI. However, a series of strong inhibitors of hPGI, and therefore potentially anti-metastatic drugs, was discovered. High-resolved 3D structures of the two enzymes complexed with inhibitors have been successfully obtained. Beyond the therapeutic, mechanistic and structural aspects, an electrochemical biosensor based on one of the synthesized inhibitors was carried out for the detection of hPGI, which is a validated biomarker of metastatic cancers. This biosensor demonstrated a detection limit of 43 fM in phosphate buffer (PBS).

Les aldose-cétose isomérases sont des enzymes catalysant l’isomérisation réversible entre un aldose et un cétose. Nous avons étudiés trois d’entre-elles : les phosphoribose isomérases (RPI), les phosphomannose isomérases (PMI) et les phosphoglucose isomérases (PGI). Ces enzymes interviennent dans différentes voies métaboliques comme la glycolyse, la néoglucogenèse, la voie des pentoses phosphates ou le métabolisme du mannose. Il a été montré qu’elles jouent un rôle important pour assurer la survie et le développement de plusieurs parasites responsables de maladies comme la leishmaniose, la mucoviscidose, la tuberculose, le paludisme ou la maladie du sommeil. Ces enzymes sont donc des cibles thérapeutiques potentielles. Ainsi, les puissants inhibiteurs de ces enzymes peuvent donc être des agents thérapeutiques efficaces pour combattre ces maladies. Les réactions catalysées par ces enzymes impliquent des intermédiaires de haute énergie (IHE) de type 1,2-cis-ènediol(ate). La synthèse d’analogues de ces intermédiaires a permis d’obtenir au laboratoire, les meilleurs inhibiteurs connus de ces enzymes, l’acide 5-phospho-D-arabononohydroxamique (5PAH, meilleur inhibiteur des PMI et PGI) et le 5-phospho-D-ribonate (5PRA, meilleur inhibiteur des RPI). Cependant, ces inhibiteurs possèdent une fonction phosphate facilement hydrolysable en milieu physiologique. Ce qui les rend inactifs in vivo. Au cours de ce travail de thèse, des phosphoanalogues du 5PAH, du 5-phospho-D-ribose (R5P, le substrat des RPI) et du 5PRA possédant une fonction malonate, phosphonate, phosphorothiate, sulfate et sulfonate à la place de la fonction phosphate ont été obtenus par des voies de synthèse multi-étapes faisant intervenir le D-arabinose ou le D-ribose comme produit de départ. Les propriétés inhibitrices de ces composés ont ensuite été déterminées et leur stabilité en milieu physiologique évaluée. Le phosphoanalogue du 5PAH de type malonate, l’acide 5-désoxy-5-dicarboxyméthyl-D-arabinonohydroxamique (5DCAH) est un inhibiteur moyen et stable de la PMI d’Escherichia Coli. Parmi les phosphoanalogues du R5P, les composés de type sulfate et sulfonate, respectivement, le 5-sulfate-D-ribose (5SR) et 5-désoxy-5-sulfonométhyl-D-ribose (5SMR) sont de bons inhibiteurs de trois RPI (la RPI d’épinard, la RPI d’Escherichia Coli et la RPI de Micobacterium tuberculosis). Seul le composé de type sulfonate est stable en milieu physiologique. Le phosphoanalogue de type malonate, le 5-désoxy-5-dicarboxyméthyl-D-ribose (5DCR) est un inhibiteur moyen de ces trois RPI. En revanche, les phosphoanalogues de type phosphorothioate et phosphonate, respectivement, le 5-désoxy-5-phosphorothioate-D-ribose (5PTR) et 5-désoxy-5-phosphonométhyl-D-ribose (5PMR) sont de mauvais inhibiteurs. Le phosphoanalogue de type phosphonate du 5PRA, le 5-désoxy-5-phosphonométhyl-D-ribonate (5PMRA) est un bon inhibiteur de la RPI de Micobacterium tuberculosis. De plus, ce composé est stable en milieu physiologique. Il est en revanche un mauvais inhibiteur de la RPI d’épinard et d’Escherichia Coli. Ces résultats sont particulièrement prometteurs puisque le 5PMRA est à ce jour le meilleur inhibiteur stable et spécifique de la RPI de Micobacterium tuberculosis. / Aldose-ketose isomerases are enzymes which catalyze the interconversion of an aldose and a ketose. We have studied three of them: phosphoribose isomerase (RPI), phosphomannose isomerase (PMI) and phosphoglucose isomerase (PGI). These enzymes play a major role in various metabolic pathways as glycolysis, neoglucogenesis, the pentoses phosphates pathways or the mannose metabolism. It has been shown to have a crucial role for the survival and development of several microorganisms responsible for diseases as the leishmaniose, the cystic fibrosis, the tuberculosis, the malaria or the insomnia. These enzymes are thus potential therapeutic targets. Consequently, strong inhibitors of these enzymes could provide efficient therapeutic tools against these deseases. The reactions catalyzed by these enzymes involve intermediaries of high energy (IHE) of 1,2-cis-enediol(ate) type. The synthesis of analogues of these intermediaries allowed to obtain in the laboratory, the best inhibitors known for these enzymes, the acid 5-phospho-D-arabononohydroxamique (5PAH, the best inhibitor of the PMI and PGI) and the 5-phospho-D-ribonate (5PRA, the best inhibitor of the RPI). However, these inhibitors possess a phosphate group which is easily hydrolysable in physiological environment, what makes them inactive in vivo. During this work of thesis, phosphoanalogues of the 5PAH, the 5-phospho-D-ribose (R5P, the substrate of the RPI) and of the 5PRA possessing a malonate, phosphonate, phosphorothiate, sulphate and sulfonate were obtained by multi-steps synthesis bringing in D-arabinose or D-ribose as starting product. The inhibitive properties of these compounds were then determined and their stability in physiological environment evaluated. The phosphoanalogue of the 5PAH of malonate type, the acid 5-desoxy-5-dicarboxyméthyl-D-arabinonohydroxamique (5DCAH) is a modest and stable inhibitor of the PMI of Escherichia Coli. Among the phosphoanalogues of the R5P, the compounds of sulphate and sulfonate types, respectively, the 5-sulfate-D-ribose (5SR) and 5-desoxy-sulfonomethyl-D-ribose (5SMR), are good inhibitors of three RPI (the RPI of spinach, the RPI of Escherichia Coli and the RPI of Micobacterium tuberculosis). Only the compound of sulfonate type is stable in physiological environment. The phosphoanalogue of malonate type, the 5-desoxy-5-dicarboxymethyl-D-ribose (5DCR) is a modest inhibitor of this three RPI. On the other hand, the phosphoanalogues of phosphorothioate and phosphonate types, respectively, the 5-desoxy-5-phosphorothioate-D-ribose (5PTR) and the 5-desoxy-5-phosphonomethyl-D-ribose (5PMR), are bad inhibitors. The phosphoanalogue of phosphonate type of the 5PRA, the 5-desoxy-5-phosphonomethyl-D-ribonate (5PMRA), is a good inhibitor of the RPI of Micobacterium tuberculosis. Furthermore, this compound is stable in physiological environment. It is on the other hand a bad inhibitor of the RPI of spinach and Escherichia Coli. These results are particularly promising because the 5PMRA is this day the best stable and specific inhibitor of the RPI of Micobacterium tuberculosis.