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A natural phenomenon characterized by dense aggregations of unicellular photosynthetic marine organisms has been termed colloquially as red tides because of the vivid discoloration of the water. The dinoflagellate Karenia brevis is the cause of the Florida red tide bloom. K. brevis produces the brevetoxins, a potent suite of neurotoxins responsible for substantial amounts of marine mammal and fish mortalities. When consumed by humans, the toxin causes Neurotoxic Shellfish Poisoning (NSP). The native function of brevetoxin within the organism has remained mysterious since its discovery. There is a need to identify factors which contribute to and regulate toxin production within K. brevis. These toxins are produced and retained within the cell implicating a significant cellular role for their presence. Localization of brevetoxin and identification of a native receptor may provide insight into its native role as well as other polyether ladder type toxins such as the ciguatoxins, maitotoxins, and yessotoxins. In higher organisms these polyether ladder molecules bind to transmembrane proteins with high affinity. We anticipated the native brevetoxin receptor would also be a transmembrane protein. Photoaffinity labeling has become increasingly popular for identifying ligand receptors. By attaching ligands to these photophors, one is able to activate the molecule after the ligand binds to its receptor to obtain a permanent linkage between the two. Subsequent purification provides the protein with the ligand directly attached. A molecule that is capable of fluorescence is a fluorophore, which upon excitation is capable of re-emitting light. Fluorescent labeling uses fluorophores by attaching them covalently to biologically active compounds. The synthesis of a brevetoxin photoaffinity probe and its application in identifying a native brevetoxin receptor will be described. The preparation of a fluorescent derivative of brevetoxin will be described and its use in localizing the toxin to an organelle within K. brevis. In addition, the general utility of a synthesized photoaffinity label with other toxins having similar functionality will be described. An alternative synthetic approach to a general photoaffinity label will also be discussed whose goal was to accelerate the preparation and improve the overall synthetic yields of a multifunctional label.

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<p>The proteasome is a multi-subunit protease complex responsible for most of the non-lysosomal protein turnover in eukaryotic cells. This degradation process can be conducted dependent or independent of ubiquitination as different isoforms with different substrate preferences coexist in the cell. Proteasomal activity declines during aging due to a decreased expression of proteasome subunits, complex disassembly, and oxidative stress. This malfunction leads to protein accumulation, subsequent aggregation, and ultimately diseased states. Considering the shared feature of aggregation and accumulation of intrinsically disordered proteins (IDPs) in age-related diseases, and the substrate preference of the 20S isoform for misfolded proteins, enhancing the proteolytic activity of the 20S proteasome has arisen as an attractive strategy to minimize the burden associated with this increased protein load. Recently, we identified the FDA-approved drug miconazole (MO) as a stimulator of the 20S isoform and validated its activity profile in biochemical and cell-based assays. Given its FDA-approved drug status, we considered that to successfully repurpose it, information regarding its binding location within the 20S and network of binding partners, as well as its value in protein homeostasis in age-related diseases are necessary. Herein, we (1) conduct SAR studies to determine MO’s key features responsible for proteasomal activation and obtain molecules with enhanced ability to activate the 20S proteasome; next, using the developed SAR model, we (2) design a diazirine-based photoreactive probe that allows for the identification of MO’s binding partners and location within the 20S proteasome. Lastly, we (3) explore the use of MO to restore the activity of impaired proteasomes by Parkinson’s disease-associated toxic oligomers. This work expands upon previous research avenues by using newer approaches to study this enzymatic complex, and describes methods that can be further used to better establish the role of the 20S proteasome in age-related diseases.</p>

L’objectif de ces travaux est de découvrir et de valoriser des petites molécules organiques inhibant l’influx de l’iode dans les cellules thyroïdiennes. Ces composés présentent en effet un double intérêt : à court terme, ils peuvent être dérivés en biosondes afin de mieux caractériser les protéines impliquées dans les mécanismes de transport d’iode par génétique chimique directe. A plus long terme, ces inhibiteurs représentent des candidats-médicaments potentiels pour le traitement de pathologies thyroïdiennes et/ou pour la protection de populations exposées aux radioisotopes de l’iode. Pour chacune des deux familles d’inhibiteurs considérées, nous avons donc tout d’abord synthétisé une chimiothèque d’une centaine d’analogues ; puis ces derniers ont été évalués biologiquement afin de fournir un ensemble de relations structure-activité. Par ailleurs, la configuration absolue des centres stéréogènes nécessaire à l’activité biologique a été déterminée : dans chacun des cas, une stéréochimie particulière est responsable du pouvoir inhibiteur des composés. A partir de ces informations, une dizaine d’analogues « de seconde génération » a été synthétisée dans chaque famille, en combinant plusieurs modifications structurales contribuant à l’activité biologique. Après évaluation biologique, neuf d’entre eux possèdent des IC50 < 6 nM et des propriétés physico-chimiques satisfaisantes pour des candidats-médicaments. Enfin, dans chaque famille, une biosonde photoactivable biotinylée a été synthétisée et utilisée en photomarquage d’affinité. Plusieurs protéines marquées spécifiquement ont été repérées, qui correspondraient à des protéines-cibles de chacun des inhibiteurs et dont l’identification reste à achever. / This work was intended to discover small organic molecules acting as iodide uptake inhibitors in thyroid cells. These compounds can indeed be derivatized into biochemical probes for further characterization of proteins involved in iodide transport mechanisms. On the long term, these inhibitors also appear as attractive drug candidates for treatment of thyroid pathologies or radioprotection against iodine isotopes. A similar strategy was adopted for both of the two inhibitor families. First, we synthesized a chemical library of around 100 analogues; we measured their IC50 against iodide uptake in FRTL-5 cells to get structure-activity relationships. Absolute configuration of stereogenic centers was also investigated, and a preferential stereochemistry was found to be responsible for activity. From this basis, around twenty « second-generation » analogues were synthesized by combining fragments contributing to biological activity. Biological evaluation indicated that nine were very potent inhibitors, with IC50 < 6 nM and satisfying physicochemical properties required for drug candidates. Finally, one photoactivatable biotinylated probe was developed in each family and used for photoaffinity labeling. Several specifically labeled proteins are still under identification and constitute new potential therapeutic targets.

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Le développement d’une nouvelle sonde dite « activity-based probe » pour réaliser la détection de formes actives de protéases appartenant à la famille des protéases à zinc de la matrice (MMP) a été réalisé dans ce travail, en partant d’un inhibiteur phosphinique puissant des MMP dans lequel a été introduit un groupement photoactivable de type diazérine. Ce composé se révèle un inhibiteur puissant de plusieurs MMP avec des affinités nanomolaires. Ce composé incubé avec différentes MMP est par ailleurs capables de modifier de façon covalente un grand nombre de MMP au niveau de leur site actif, avec des rendements de modification variant de plus de 50% à 11%, selon la nature des MMP. En ayant choisi comme moyen de détection la radioactivité, nous démontrons qu’avec cette nouvelle sonde qu’il est possible de détecter des formes actives de MMP avec des sensibilités de l’ordre de la femtomole dans des systèmes modèles de protéomes complexes. Appliquée à l’analyse de lavages broncho alvéolaires de souris traitées par voie pulmonaire avec des nanoparticules pour induire une réponse inflammatoire, cette nouvelle sonde permet de mettre en évidence la présence de formes actives du domaine catalytique de la MMP-12, une métalloprotéase à zinc exprimée par les macrophages, mais pas dans les animaux contrôles. En revanche l’analyse de carotides humaines de patients souffrant d’athérosclérose ne nous pas conduit avec cette sonde à la détection de formes actives de MMP. Malgré ce résultat, il est à noter que la détection de forme active de MMP dans un fluide pathologique est une première dans ce domaine. Cette sonde étant validée pour sa capacité à détecter des formes actives de MMP, elle permettra dans l’avenir de tester d’autres fluides pathologiques d’origine humaine ou bien des extraits de tissu comme des tumeurs pour lesquels les MMP pourraient être des marqueurs de ces pathologies. / A new activity-based probe able to covalently modify the active site of proteases belonging to the matrix metalloprotease family (MMPs) has been developed in this thesis project. The probe was shown to behave as potent inhibitor of several MMPs, with nanomolar Ki values. This probe was also able to modify specifically only the free active site of MMPs, with particular high yields of cross-linking varying from 50 % to 11 %, depending of the MMPs tested. Using radioactivity as means of detection, this probe was able to detect active form of MMPs with a threshold of 1 femtomole. Applied to the study of bronchoalvelolar fluids (BAL) from mice exposed to nanoparticles by a lung aspiration protocol, this probe revealed the presence of the catalytic domain of MMP-12 under its active form, but not in control animals. When used to detect active form of MMPs from extracts obtained from human arteries of patient suffering from atherosclerosis, the probe was not able to detect such MMP active forms. Despite this negative result, the detection of active form of MMP in pathological fluid like BAL has never been reported before this work. Having validated this novel MMP activity-based probe, it will be possible to use it now for detecting MMPs from other pathological fluids or tissues extracts in which MMPs can be good markers of the pathology.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Prevention of pathological angiogenesis is a key strategy for treatment of common blinding ocular diseases such as retinopathy of prematurity, proliferative diabetic retinopathy, and wet age-related macular degeneration. The current treatment strategies are associated with partial vision loss and are ineffective in a significant patient population. Hence novel drugs as well as new ways to target ocular angiogenesis are needed for treating these diseases. I pursued a natural antiangiogenic compound, cremastranone, to develop novel drug leads and to find new targets. The objective of my doctoral thesis project was to elucidate cremastranone’s molecular mechanism of action and optimize its structureactivity relationship (SAR). In order to achieve this goal, with the help of chemistry collaborators cremastranone was synthesized for the first time. I showed that cremastranone has 50-fold more potency against endothelial cells as compared to nonendothelial cells, and also tested a novel active isomer, SH-11052. By SAR studies I identified a potent molecule, SH-11037, that has 10-fold more selectivity against retinal endothelial cells as compared to macrovascular endothelial cells. I then elucidated cremastranone’s molecular mechanism using a chemical proteomic approach. I identified ferrochelatase (FECH) as a specific interacting protein partner of cremastranone using photoaffinity chromatography. Hence, I hypothesized that cremastranone exerts its antiangiogenic activities through modulation of the functions of FECH. Cremastranone inhibited the enzymatic activity FECH in endothelial cells. Therefore, I investigated the role of FECH in ocular angiogenesis. Partial loss of FECH, using a siRNA-based knock down approach, decreased retinal angiogenesis both in vitro and in vivo in mouse models. Knock down of FECH decreased the expression levels of key proangiogenic proteins HIF-1α, eNOS, and VEGFR2. This work suggests that ferrochelatase plays an important, previously undocumented role in angiogenesis and that targeting of this enzyme by cremastranone might be exploited to inhibit pathological angiogenesis in ocular diseases.

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours. / This thesis consists of two parts: Part 1: Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents FTY720 is presently marketed as a drug (GilenyaTM) for the treatment of relapsing-remitting multiple sclerosis. It functions as an immunosuppressant due to its effect on sphingosine-1-phosphate (S1P) receptors. At higher doses, FTY720 also has antineoplastic actions. However, at such doses it induces bradycardia due to the activation of the S1P1 and S1P3 receptors. This limits its potentical to be used as a cancer therapy in humans. Our previous studies have shown that some constrained pyrrolidine analogues of FTY720 have anticancer activity but no activity toward S1P1 and S1P3 receptors. We reasoned that a study of the structure-activity relationships (SARs) could lead to the discovery of new effective antitumor agents. Thus, two series of constrained analogues (O-arylmethyl-substituted pyrrolidines and C-aryl-substituted pyrrolidines) were designed and synthesized (Chapter 1). These analogues showed excellent cytotoxic activity against various human cancer cells (prostate, colon, breast, pancreas and leukemia). Especially, several active analogues, which cannot be phosphorylated by SphK, have the potency to be further studied in the treatment of cancer without inducing bradycardia. Mechanistic studies suggest that these constrained analogues trigger down-regulation of nutrient transporters, which induce a bioenergetic crisis and the cancer cells starve to death. To further investigate their target receptors, we have designed and synthesized diazirine based photo-affinity labeling (PAL) probes (Chapter 2). Aided by the PAL technique, information regarding the target receptor could be obtained through LC/MS/MS protein analysis. These tests are in progress and the preliminary results appear promising. Part 2: Metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-ketols The Barbier and Grignard reactions are classical methods to form carbon-carbon bonds, and generally used to prepare secondary or tertiary alcohols. In an attempt to perform a Grignard reaction with n-butyl iodide under Barbier one-pot conditions, we obtained major product β-hydroxyl ketol from the self-aldol reaction of 5-hexen-2-one, rather than the expected addition alcohol product (Chapter 3). The unusual β-ketol formation was also observed using other methyl ketone substrates. Interestingly, in an intramolecular reaction of a triketone substrate, which is well known to give the Hajos-Parrish ketone, the favored product was a rarely studied β-ketol with the hydroxyl group at axial position. Intrigued by these results, after systematic reaction condition studies, we developed two new methods toward the catalytic synthesis of specific β-ketols by intramolecular cylcization in high yield and selectivity (Chapter 4). The reaction can be catalyzed either by a suitable base and lithium bromide as the additive, through a lithium pre-organized transition state or by a bifunctional catalyst TBD (triazabicyclodecene), through a TBD mediated bidentate transition state. The proposed mechanisms were corroborated by DFT computation. These catalytic reactions were also extended to other triketone and diketone substrates. Although the initial efforts to achieve enantioselectivity were not successful, they merit further study of the synthesis and investigation of new chiral catalysts.