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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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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.

Notre équipe de recherche a récemment développé les premiers inhibiteurs d’une enzyme à DDE, la transposase MOS1, une enzyme analogue à l’intégrase du VIH-1. Ces molécules, de type bisfurylmaléimides, ont également montré une efficacité contre les activités enzymatiques de l’intégrase du VIH. En se basant sur ces résultats, nous avons entrepris la synthèse de nouveaux bisfurylmaléimides dans le but d’identifier de nouveaux inhibiteurs de l’intégrase et de proposer de nouvelles molécules dans la lutte contre le virus responsable du SIDA. L’originalité de notre démarche est l’utilisation de la transposase MOS1 comme modèle pour concevoir nos molécules. Les méthodologies utilisées pour accéder à ces molécules font essentiellement appel à la chimie catalysée par des métaux de transition mais aussi à des réactions de chimie hétérocyclique telles que des réactions de Mitsunobu, de Knoevenagel ou encore de Horner-Wadsworth-Emmons. L’ensemble des molécules synthétisées a fait l’objet d’une évaluation de leurs activités inhibitrices sur la transposase MOS1 et l’intégrase du VIH-1. Leurs propriétés antivirales contre le VIH ont également été évaluées. Parallèlement à ces travaux, nous nous sommes intéressés à la réactivité du noyau maléimide dans des réactions de couplage pallado-catalysées et plus particulièrement dans des couplages de Sonogashira. / Our research team has recently developed the first inhibitors of a DDE enzyme, MOS1 transposase, an enzyme similar to the HIV-1 integrase. These molecules, having a bisfurylmaleimide structure, also showed efficacy against enzymatic activities of HIV integrase. Based on these results, we undertook the synthesis of new bisfurylmaleimides in order to identify new integrase inhibitors and propose new molecules in the fight against the virus that causes AIDS. The originality of our approach is the use of MOS1 transposase as a model for designing our molecules. Methodologies used to access these molecules are essentially involving chemistry catalyzed by transition metals but also reactions of heterocyclic chemistry such as Mitsunobu, Knoevenagel or Horner-Wadsworth-Emmons reactions. All synthesized molecules has been evaluated for their inhibitory activities on the MOS1 transposase and HIV-1 integrase. Their antiviral properties against HIV were also evaluated. Parallel to this work, we investigated the reactivity of the maleimide core in palladium-catalyzed cross-coupling reactions especially in Sonogashira couplings.