More than 20 years after its discovery HIV protease still remains one of the primary targets in HIV treatment. Currently there are 9 approved protease inhibitors on the market. However, due to immense replication rate and the high error prone nature of reverse transcriptase, resistance to each of them has already been described. Therefore, the search for new protease inhibitors with different binding mode is still active. A novel type of protease inhibitors (1, 4-benzodiazepine analogs) was recently discovered in our laboratory. Even though this new class of inhibitors is highly potent (Ki' in range of 10-9 ), it also has several undesirable qualities, such as low solubility and a high number of stereogenic centers. Primary objective of this study was to try to prepare more soluble compounds with lower number of possible stereoisomers, enzymologically characterize its binding to the wild-type and mutated HIV protease and to determine its structure in the complex with the enzyme. A small library of 1, 4-benzodiazepine inhibitors of HIV protease was synthesized and fully characterized using NMR spectroscopy and mass spectroscopy. The number of stereogenic centers was successfully reduced from 4 to 2 without loosing activity of the inhibitor. The improvement in solubility was always associated with a...

Résumé Le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) est l’agent pathogène responsable du Syndrome del’Immunodéficience Acquise (SIDA). A l’heure actuelle, le traitement des patients infectés par le VIH estbasé sur l’emploi de substances chimiques destinées à perturber les différentes étapes du cycle deréplication du virus (chimiothérapie). Même si elles permettent d’améliorer l’état de santé des patientset d’augmenter leur espérance de vie, ces thérapies restent coûteuses, contraignantes et imparfaites.La recherche de nouveaux composés plus efficaces reste donc d’actualité. Ce travail de thèse est dédié à la conception rationnelle et à l’étude d’inhibiteurs non nucléosidiques dela transcriptase inverse du VIH-1 (INNTI) une enzyme essentielle au cycle de réplication de ce virus.Les molécules étudiées dérivent du cycle 2-pyridinone dont sont déjà issues plusieurs familles d’INNTIdécrites dans la littérature. La conception rationnelle de molécules d’intérêt pharmaceutique nécessite une bonne compréhensiondes interactions mises en jeu entre la macromolécule cible et ses ligands. Etant donné qu’aucunestructure cristallographique d’un complexe TI-pyridinone n’est disponible dans la littérature, la premièrepartie de ce travail est consacrée à la proposition d’un mode d’interaction TI-pyridnone et à larationalisation des relations structure-activité liées à cette famille de molécules. Les informationsrecueillies lors de cette étude théorique sont ensuite exploitées dans le but d’aider au développementd’une nouvelle série d’inhibiteurs. Abstract Human Immunodeficiency Virus (HIV) is the causative agent of Acquired Immune DeficiencySyndrome (AIDS). Treatment of HIV-infected patients is currently based on the use of chemicalcompounds that interfere with various steps of the viral replication cycle (chemotherapy).Although these therapies allow for a significant improvement of a patient’s health, theynonetheless remain imperfect and expensive. Research for new and improved anti-HIVcompounds is therefore necessary. This Ph. D. thesis is dedicated to the rational design and analysis of new non nucleosideinhibirors of HIV-1 reverse transcriptase (NNRTI), a key enzyme in HIV lifecycle. Most of thestudied compounds are derived from the 2-pyridinone ring, that is part of several NNRTIfamilies. Rational drug design usually requires a good understanding of the main interactions betweenthe macromolecular target (RT) and its ligands. However, no crystal structure of a RT-pyridinone complex has been reported yet. Our first objective was therefore to build atheoretical model describing RT-pyridinone interactions and providing a better understanding ofstructure-activity relationships among pyridinones. The information obtained in this theoreticalmodel was then used in order to develop new and potent inhibitors.

[ES] La cristalografía de rayos X es una potente técnica para la resolución de la estructura atómica de macromoléculas. La información generada, tiene gran impacto sobre diferentes campos relacionados con la investigación básica y aplicada, como son la biomedicina y diseño de fármacos, al igual que en el desarrollo de aplicaciones nanotecnológicas y biotecnológicas. Esta Tesis se centra en determinadas problemáticas actuales y en las proteínas involucradas en las mismas (TryR, eEF1A2 y CBDP35), siendo éstas sujeto de desarrollo biotecnológico en los campos de la biomedicina, farmacia y de la industria alimentaria, en el que la cristalografía de rayos X juega un papel crucial para dilucidar sus estructuras atómicas y funciones. En consideración a la biomedicina y diseño de fármacos, hemos resuelto la estructura de la Tripanotión reductasa (TryR) de Leishmania infantum en complejo con potentes inhibidores de su actividad oxidorreductasa, con potencial de desarrollo como fármacos. Así, se ha caracterizado la unión y mecanismo de acción de éstos inhibidores. TryR es una reconocida diana farmacológica para el tratamiento de la enfermedad de Chagas, la Tripanosomiasis Humana Africana y la leishmaniosis, ya que desempeña un papel crucial y esencial en el metabolismo redox de los parásitos de la familia Trypanosomatidae. Además, se han analizado los parámetros de cristalización y difracción de novedosos inhibidores de la dimerización de TryR, cuyo diseño racional se basa en la unión a la interfaz de dimerización de la misma. La oncoproteína eEF1A2, involucrada en múltiples funciones celulares y sujeto de numerosas modificaciones post-traduccionales, se une al fármaco anticancerígeno plitidepsina. La cristalografía de rayos X, combinada con experimentos de espectrometría de masas, se han utilizado como herramientas para identificar nuevas modificaciones post-traduccionales y características estructurales en eEF1A2:GDP. Una modificación única, la adición de etanolamina fosfoglicerol (EPG) a aminoácidos conservados (Glu301 y Glu374 en mamíferos), se ha observado aquí por primera vez. El análisis estructural de estos hallazgos facilita la comprensión de las múltiples funciones y regulaciones de eEF1A2. La adquisición de una muestra conformacionalmente homogénea de eEF1A2:GTP, necesaria para la unión a la plitidepsina, ha sido evaluada en ensayos de cristalización del complejo terciario de eEF1A2: GTP: plitidepsina. Con respecto al dominio de unión a la pared celular de la endolisina PlyP35 codificada por el fago P35 de Listeria monocytogenes (CBDP35), hemos resuelto la estructura cristalina de CBDP35 en un complejo con ácido teicoico natural de L. monocytogenes serovar 1/2a. Esta estructura es el primer módulo de unión a la pared celular en complejo con ácidos teicoicos jamás dilucidado. El análisis estructural reveló los principales determinantes para la unión de la pared celular bacteriana, en particular, el mecanismo molecular del reconocimiento de N-acetil-d-glucosamina, una decoración de carácter glicosídico en ácidos teicoicos de serovares patógenos de L. monocytogenes. Estos hallazgos arrojan luz sobre el desarrollo biotecnológico de nuevas herramientas en la industria alimentaria y las terapias derivadas de fagos para detectar y tratar infecciones bacterianas. / [CA] La cristal·lografia de raig X és una potent tècnica per a la resolució de l'estructura atòmica de macromolècules. La informació generada té gran impacte sobre diferents camps relacionats amb la investigació bàsica i aplicada, com són la biomedicina i disseny de fàrmacs, igual que en el desenvolupament d'aplicacions nanotecnológiques i biotecnològiques. Aquesta Tesi es centra en determinades problemàtiques actuals i en les proteïnes involucrades en les mateixes (TryR, eEF1A2 i CBDP35), sent estes subjecte de desenvolupament biotecnològic en els camps de la biomedicina, farmàcia i de la indústria alimentària, en el que la cristal·lografia de raig X juga un paper crucial per a dilucidar les seues estructures atòmiques i funcions. En consideració a la biomedicina i disseny de fàrmacs, hem resolt l'estructura de la Tripanotión reductasa (TryR) de Leishmania infantum en complex amb potents inhibidors de la seua activitat oxidorreductasa, amb potencial de desenrotllament com a fàrmacs. Així, s'ha caracteritzat la unió i mecanisme d'acció d'estos inhibidors. TryR és una reconeguda diana farmacològica per al tractament de la malaltia de Chagas, la Tripanosomiasi Humana Africana i la leishmaniosi, ja que exerceix un paper crucial i essencial en el metabolisme redox dels paràsits de la família Trypanosomatidae. A més, s'han analitzat els paràmetres de cristal·lització i difracció de nous inhibidors de la dimerizació de TryR, el disseny racional dels quals es basa en la unió a la interfície de dimerización de la mateixa. L'oncoproteína eEF1A2, involucrada en múltiples funcions cel·lulars i subjecte de nombroses modificacions posttraduccionals, s'unieix al fàrmac anticancerigen plitidepsina. La cristal·lografia de raig X, combinada amb experiments d'espectrometria de masses, s'han utilitzat com a ferramentes per a identificar noves modificacions posttraduccionals i característiques estructurals en eEF1A2:GDP. Una modificació única, l'addició d'etanolamina fosfoglicerol (EPG) a aminoàcids conservats (Glu301 i Glu374 en mamífers), s'ha observat ací per primera vegada. L'anàlisi estructural d'estes troballes facilita la comprensió de les múltiples funcions i regulacions d'eEF1A2. L'adquisició d'una mostra conformacionalmente homogènia d'eEF1A2:GTP, necessària per a la unió a la plitidepsina, ha sigut avaluada en assajos de cristal·lització del complex terciari d'eEF1A2: GTP: plitidepsina. Respecte al domini d'unió a la paret cel·lular de l'endolisina PlyP35 codificada pel fago P35 de Listeria monocytogenes (CBDP35), hem resolt l'estructura cristal·lina de CBDP35 en un complex amb àcid teicoico natural de L. monocytogenes serovar 1/2a. Esta estructura és el primer mòdul d'unió a la paret cel·lular en complex amb àcids teicoicos mai dilucidat. L'anàlisi estructural va revelar els principals determinants per a la unió de la paret cel·lular bacteriana, en particular, el mecanisme molecular del reconeixement de N-acetil-d-glucosamina, una decoració de caràcter glicosídico en àcids teicoicos de serovares patògens de L. monocytogenes. Estes troballes fan llum sobre el desenrotllament biotecnològic de noves ferramentes en la indústria alimentària i les teràpies derivades de fagos per a detectar i tractar infeccions bacterianes. / [EN] X-ray crystallography is a powerful technique for atomic structure resolution of macromolecules. The information generated impacts different fields involving basic and applied research on biomedicine and drug design and the development of nanotechnology and biotechnological applications. This dissertation focuses on current problematics and the target proteins involved (TryR, eEF1A2 and CBDP35) that are in sight for biotechnological development in the biomedical, pharmaceutical and food industry fields, in which X-ray crystallography plays a crucial role in the elucidation of their atomic structures and functions. Attaining to biomedical and drug design problematics, we have solved the structure of Leishmania infantum TryR in complex with potent oxidoreductase inhibitors prone to further development as anti-trypanosomal drugs, thereby characterizing their binding and mechanism of action. This protein is a long recognized drug target for the treatment of Chagas disease, Human African Trypanosomiasis and leishmaniasis, as it plays a crucial and essential role in the redox-metabolism of the Trypanosomatidae parasites. Moreover, the crystallization and diffraction parameters of novel TryR dimerization disruptors have been assayed for inhibitors which have been rationally designed to bind the dimerization interface of TryR. The "moonlighting" oncoprotein eEF1A2 is known to be highly post-translationally modified and to bind the anticancer drug plitidepsin. X-ray crystallography, combined with mass-spectrometry experiments, have been used as tools to identify novel post-translational modifications and structural features in eEF1A2:GDP. A unique modification, namely the addition of ethanolamine phosphoglycerol (EPG) to conserved glutamic residues (Glu301 and Glu374 in mammals), has been here observed for the first time. Structural analysis of these findings facilitate the understanding of eEF1A2's multiple functions and regulations. The acquirement of a conformationally homogenous eEF1A2:GTP sample, necessary for plitidepsin binding, has been has been assayed for eEF1A2:GTP:plitidepsin complex crystallization. Regarding the cell wall binding domain of Listeria monocytogenes phage-encoded endolysin PlyP35 (CBDP35), we have solved the crystal structure of CBDP35 in complex with natural Listeria serovar 1/2a teichoic acid. This structure is the first cell wall binding module in complex with teichoic acids ever elucidated. Structural analysis revealed the main determinants for bacterial cell-wall binding, in particular, the molecular mechanism of N-acetyl-d-glucosamine recognition, a glycosidic moiety in teichoic acids of pathogenic serovars of L. monocytogenes. These findings shed light upon the biotechnological development of new tools in the food industry and phage-derived therapies to detect and treat bacterial infections. / Agradecer al Ministerio de Educación, Cultura y Deporte por haberme proporcionado el contrato FPU (FPU14/03190) que me ha permitido desarrollar esta Tesis Doctoral en el Instituto de Química-Física “Rocasolano” del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IQFR-CSIC), así como la financiación otorgada para poder realizar mi estancia predoctoral en el laboratorio del Prof. Hammershmidt, en Greifswald, Alemania (EST17/00751). / Carriles Linares, AÁ. (2019). STRUCTURAL BIOMEDICINE: CHARACTERIZATION OF THE STRUCTURAL BASIS IN PROTEIN-DRUG RECOGNITION IN DIFFERENT HUMAN DISEASES [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130844 / TESIS

Orientadores: Ricardo Aparicio, Munir Salomão Skaf / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-27T01:45:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fonseca_EmanuellaMariaBarreto_D.pdf: 13119998 bytes, checksum: 0b4e5f9502ec2b9b4e347bcd68c9e261 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O câncer é uma doença cuja incidência e prevalência atinge proporções alarmantes, estabelecendo-se, hoje, como um problema mundial de saúde pública. A fosforilação de proteínas é um evento dinâmico e reversível, governado pela atividade oposta de proteínas tirosina quinases e proteínas tirosina fosfatases. Níveis elevados das fosfatases LMW-PTP e CDC25B foram observados em uma ampla variedade de tumores e, assim, estas foram selecionadas como alvo para o desenvolvimento de novos inibidores. Utilizando métodos in silico, uma coleção, contendo aproximadamente 500 mil fragmentos, foi montada a partir de um banco de compostos comerciais. Para cada enzima, esses fragmentos foram submetidos a distintos protocolos de docagem molecular, através dos quais 19 pequenas moléculas foram selecionadas e adquiridas comercialmente. Os resultados computacionais foram validados por ensaios de inibição enzimática, tendo sido identificados novos esqueletos moleculares capazes de inibir mais do que 50% da atividade enzimática, obtendo-se valores de eficiência do ligante de até 0,33 kcal mol-1 por átomo diferente de hidrogênio. Paralelamente, uma série de compostos derivados do ácido benzenofosfônico foi ensaiada frente à LMW-PTP após estudos de docagem, seguindo-se estudos cristalográficos que levaram à obtenção de duas estruturas inéditas: uma com a proteína na forma apo e outra de um complexo LMW-PTP:inibidor. Além do sítio ativo já conhecido, observou-se um segundo sítio cristalográfico cuja potencial função biológica, se confirmada, poderia abrir novas possibilidades para modular a atividade da LMW-PTP, perspectiva que demanda investigação / Abstract: Cancer is a disease whose incidence and prevalence have reached alarming proportions, emerging today as a major public health problem. Protein phosphorylation is a dynamic and reversible event, governed by the opposite activities of protein tyrosine kinases and protein tyrosine phosphatases. High levels of the phosphatases LMW-PTP and CDC25B have been observed in a wide variety of tumors and, for this reason, they have been selected as targets for inhibitor development. Using in silico methods, a collection of approximately 500,000 fragments was assembled from a database of commercial compounds. For each enzyme, these fragments were subjected to different molecular docking protocols, through which 19 small molecules have been selected and purchased. The computational results were validated by enzyme inhibition assays, with the identification of new molecular scaffolds capable of inhibiting in more than 50% the enzyme activity, resulting in ligand efficiency values up to 0.33 kcal mol-1 per non-H atom. Similarly, a number of compounds derived from benzenophosphonic acid was tested against the LMW-PTP after docking studies, followed by crystallographic studies which resulted in two new structures: one of the apo protein and another of a complex LMW-PTP:inhibitor. In addition to the previously described active site, a second crystallographic site was identified, whose potential biological function, if confirmed, might open new possibilities to modulate LMW-PTP activity, in a perspective which demands further investigation. / Doutorado / Físico-Química / Doutora em Ciências