Phosphofructokinase from Bacillus stearothermophilus (BsPFK) is a homotetrameric enzyme with an average of one active site and one allosteric site per subunit. BsPFK is inhibited by phosphoenolpyruvate (PEP) and how this inhibitory signal is propagated throughout the enzyme is the main question we address through this investigation. By possessing a total of eight binding sites, a potential for twenty-eight total pair-wise allosteric interactions result within BsPFK, ten of which are unique. Of these ten interactions, four are heterotropic interactions, or interactions between unlike binding sites, while the remaining six interactions are homotropic interactions, or interactions between like binding sites. Thus, to address the question of how BsPFK is inhibited by PEP, each of these ten interactions needs to be quantified and their roles in the inhibition process assessed. In order to quantify the roles of the 10 allosteric interactions, we created, purified and characterized several different hybrid enzymes by using site-directed mutagenesis to reduce the number of native active sites and native allosteric sites to permit the isolation of specific allosteric interaction(s). Through the creation and isolation of 1:3 hybrid enzymes, in which one native active site and one native allosteric site remain, each of the four heterotropic interactions were characterized. Moreover, through the creation and isolation of the 2:2 hybrid enzymes, in which two native active sites and two native allosteric sites remain, characterization of the remaining six homotropic interactions was performed. Utilizing a linked function approach to quantify the heterotropic and homotropic effects for each hybrid enzyme, we determined that 5 to 6 of the ten pair-wise allosteric interactions found in BsPFK are involved in the inhibition process depending upon pH. More importantly however, our data provides definitive results that the traditional two-state models used to describe an allosteric effect are not sufficient to describe the allosteric effect measured for BsPFK. Rather, our results show that the linked function approach is a more appropriate way to unambiguously measure the nature and magnitude of an allosteric effect. Moreover, this approach can also be used to explain the allosteric behavior of a dimeric enzyme.

G-protein coupled receptors (GPCRs) implicated in disease are the predominant pharmaceutical targets. Growing evidence suggests that GPCRs form homo- and heteromeric complexes, resulting in allosteric functional changes. Ligands targeting one receptor can alter the function of the other receptor or receptors. Knowledge of these functional changes will provide unique opportunities to treat diseases. We examined two GPCR heteromers implicated in psychosis: mGlu2R-5HT2AR and D2R-5HT2AR. Using whole-cell patch clamp, we studied HEK-293 cells stably transfected with mGlu2R and 5HT2AR. Maximal heteromer formation allows inverse agonists to increase the G-protein activity of the opposite receptor, while sub-maximal heteromer formation does not. However, similar results are obtained in sub-maximal heteromer cells by applying a combination of a mGlu2R synthetic agonist with a 5HT2AR anti-psychotic drug. These results confirm our oocyte results, now in a mammalian cell line. Using two-electrode voltage clamp, we also investigated the allosteric changes upon heteromerization of D2R-5HT2AR in oocytes injected with appropriate cRNAs. Heteromer formation in the presence of dopamine or serotonin results in an increase in G-protein activity of each receptor while the simultaneous presence of both neurotransmitters further increases the G-protein activity. The addition of synthetic agonists or anti-psychotics decreases the G-protein activity of the opposite receptor while agonizing or antagonizing its target receptor, respectively. Maximal allosteric effects upon D2R-5HT2AR formation only occur at a specific cRNA injection ratio, but partial effects exist at other ratios. Our data suggest that allosteric functional changes upon heteromerization are physiologically relevant and are mostly different when comparing mGlu2R-5HT2AR to D2R-5HT2AR.

L’approche Module X a été créée dans le but de concevoir de petits peptides modulateurs ayant des propriétés allostériques. Module X reproduit de petites parties des portions extracellulaires flexibles des récepteurs. Ces petits peptides vont interagir en s’interposant entre deux sous unités ou entre deux régions de la même sous-unité qui interagissent par des liens hydrogènes, des ponts salins ou des liens disulfure. Ces régions sont spécialement choisies à l’extérieur du domaine de liaison du ligand orthostérique et sont situées dans les régions inter domaines, la portion juxta membranaire ou dans les boucles. Étant donné que les boucles sont exposées durant les changements de conformation, une séquence peptidique reproduisant certaines régions de ces boucles pourrait s’insérer à un endroit approprié dans la structure où se lier à son partenaire de signalisation dans le complexe protéique, ce qui aurait comme effet de déplacer l’équilibre de l’ensemble vers un état particulier et modulerait ainsi la signalisation. De cette façon, certaines voies de signalisation pourraient être partiellement inhibées tandis que d’autres voies ne seraient pas touchées puisque le ligand orthostérique pourrait toujours se lier au récepteur. Dans une première étude, nous avons conçu des peptides inhibiteurs du récepteur de l’interleukine 1 (IL-1R/IL-1RAcP) plus précisément en reproduisant des régions flexibles de la protéine accessoire, sous-unité signalisatrice du récepteur. IL-1 est un médiateur majeur de l’inflammation, mais le seul antagoniste disponible est l’analogue naturel de IL-1, IL-1Ra qui compétitionne avec IL-1 pour le site de liaison sur le récepteur. Nous avons conçu plusieurs peptides à partir des boucles de la protéine accessoire. Un de ces peptides, rytvela (101.10) a démontré des propriétés de non-compétitivité et de sélectivité fonctionnelle caractéristiques des modulateurs allostériques. 101.10 bloque la prolifération des thymocytes et la synthèse de PGE2 avec un IC50 de 1 nM mais une efficacité de 100 % et 45 % respectivement et ne déplace pas IL-1 radioactif dans des essais de radioliaisons. De plus, 101.10 n’a qu’un effet minime sur l’affinité de IL-1 pour son récepteur. 101.10 démontre, de plus, une activité inhibitrice in vivo dans des modèles d’inflammation de l’intestin chez le rat (efficacité supérieure aux corticostéroïdes et à IL-1Ra) et de dermatite chez la souris de même que dans un modèle d’hyperthermie induite par IL-1. La deuxième étude démontre que Module X peut être utilisé pour concevoir des inhibiteurs pour une autre grande famille de récepteurs : les récepteurs couplés aux protéines G. La vasopressine joue un rôle important dans l’équilibre hydro-osmotique et un moindre rôle dans la vasomotricité. Six peptides ont été conçus à partir de régions juxta membranaires du récepteur de la vasopressine V2R. Le peptide le plus actif, VRQ397 (IC50 = 0,69 nM dans un modèle de vasorelaxation du crémastère), a démontré de la sélectivité fonctionnelle en inhibant la synthèse de prostacycline mais sans inhiber l’activation de la protéine Gs et la génération d’ AMP cyclique. Le peptide VRQ397 ne pouvait déplacer le ligand naturel AVP marqué radioactivement; de même VRQ397 radioactif ne se liait que sur V2R et non pas sur d’autres récepteurs de la même famille tel que V1R (récepteur de la vasopressine de type I). Ces études décrivent la caractérisation de petits peptides modulateurs de la signalisation de IL-1R et V2R et présentant des propriétés de modulateurs allostériques. / The Module X approach was conceived to generate small allosteric peptides that do not (by definition) compete with the natural ligand to inhibit or modulate signalling. Orthosteric inhibition blocks the entire signalling pathways while allosteric modulators will bind to another site on the target and show functional selectivity. By reproducing parts of the flexible regions (loops) of two receptors, the IL-1 and vasopressin receptors, we generated small peptides that showed allosteric properties. To prove our concept we started with a pro-inflammatory target: IL-1 receptor. Interleukin (IL)-1 is a major pro-inflammatory cytokine which interacts with the IL-1 receptor I (IL-1RI) complex, composed of IL-1RI and IL-1R accessory protein (IL-1RacP) subunits. Presently, there are no small antagonists of the IL-1RI complex. Given this void, we derived 15 peptides from loops of IL-1RacP, which are putative interactive sites with the IL-1RI subunit. Here we substantiate the merits of one of these peptides, rytvela (we termed, 101.10), as an inhibitor of IL-1R and describe its properties consistent with those of an allosteric negative modulator. 101.10 (IC50  1 nM) blocked human thymocyte proliferation in vitro, and demonstrated robust in vivo effects in models of hyperthermia and inflammatory bowel disease as well as topically in contact dermatitis, superior to corticosteroids and IL-1ra; 101.10 did not bind to IL-1RI deficient cells and was ineffective in vivo in IL-1RI knockout mice. Importantly, characterization of 101.10, revealed non-competitive antagonist actions and functional selectivity by blocking certain IL-1R pathways while not affecting others. The second study involved a representative of the biggest family of membrane proteins: G-protein coupled receptors. Vasopressin type 2 receptor (V2R) exhibits mostly important properties for hydro-osmotic equilibrium and to a lesser extent on vasomotricity. Drugs currently acting on this receptor are analogs of the natural neuropeptide, vasopressin (AVP), and hence are competitive ligands. Six peptides reproducing juxtamembranous regions of V2R were designed and screened; the most effective peptide, CRAVKY (labelled VRQ397), was characterized. VRQ397 was potent (IC50 = 0.69 ± 0.25 nM) and fully effective in inhibiting V2R-dependent physiological function (specifically DDAVP-induced cremasteric vasorelaxation; this physiological functional assay was utilized to avoid overlooking interference of specific signaling events). Dose-response profile revealed non-competitive property of VRQ397; correspondingly, VRQ397 bound specifically to V2R-expressing cells, could not displace its natural ligand, AVP, but modulated AVP binding kinetics (dissociation rate). VRQ397 exhibited pharmacological permissiveness on V2R-induced signals as it inhibited DDAVP-induced PGI2 generation, but not that of cAMP or recruitment of — arrestin2. Consistent with in vitro and ex vivo effects as a V2R antagonist, VRQ397 displayed anticipated in vivo aquaretic efficacy. Findings describe the discovery of potent and specific small (peptide) antagonists of IL-1RI and V2R with properties in line with an allosteric negative modulator.

L’approche Module X a été créée dans le but de concevoir de petits peptides modulateurs ayant des propriétés allostériques. Module X reproduit de petites parties des portions extracellulaires flexibles des récepteurs. Ces petits peptides vont interagir en s’interposant entre deux sous unités ou entre deux régions de la même sous-unité qui interagissent par des liens hydrogènes, des ponts salins ou des liens disulfure. Ces régions sont spécialement choisies à l’extérieur du domaine de liaison du ligand orthostérique et sont situées dans les régions inter domaines, la portion juxta membranaire ou dans les boucles. Étant donné que les boucles sont exposées durant les changements de conformation, une séquence peptidique reproduisant certaines régions de ces boucles pourrait s’insérer à un endroit approprié dans la structure où se lier à son partenaire de signalisation dans le complexe protéique, ce qui aurait comme effet de déplacer l’équilibre de l’ensemble vers un état particulier et modulerait ainsi la signalisation. De cette façon, certaines voies de signalisation pourraient être partiellement inhibées tandis que d’autres voies ne seraient pas touchées puisque le ligand orthostérique pourrait toujours se lier au récepteur. Dans une première étude, nous avons conçu des peptides inhibiteurs du récepteur de l’interleukine 1 (IL-1R/IL-1RAcP) plus précisément en reproduisant des régions flexibles de la protéine accessoire, sous-unité signalisatrice du récepteur. IL-1 est un médiateur majeur de l’inflammation, mais le seul antagoniste disponible est l’analogue naturel de IL-1, IL-1Ra qui compétitionne avec IL-1 pour le site de liaison sur le récepteur. Nous avons conçu plusieurs peptides à partir des boucles de la protéine accessoire. Un de ces peptides, rytvela (101.10) a démontré des propriétés de non-compétitivité et de sélectivité fonctionnelle caractéristiques des modulateurs allostériques. 101.10 bloque la prolifération des thymocytes et la synthèse de PGE2 avec un IC50 de 1 nM mais une efficacité de 100 % et 45 % respectivement et ne déplace pas IL-1 radioactif dans des essais de radioliaisons. De plus, 101.10 n’a qu’un effet minime sur l’affinité de IL-1 pour son récepteur. 101.10 démontre, de plus, une activité inhibitrice in vivo dans des modèles d’inflammation de l’intestin chez le rat (efficacité supérieure aux corticostéroïdes et à IL-1Ra) et de dermatite chez la souris de même que dans un modèle d’hyperthermie induite par IL-1. La deuxième étude démontre que Module X peut être utilisé pour concevoir des inhibiteurs pour une autre grande famille de récepteurs : les récepteurs couplés aux protéines G. La vasopressine joue un rôle important dans l’équilibre hydro-osmotique et un moindre rôle dans la vasomotricité. Six peptides ont été conçus à partir de régions juxta membranaires du récepteur de la vasopressine V2R. Le peptide le plus actif, VRQ397 (IC50 = 0,69 nM dans un modèle de vasorelaxation du crémastère), a démontré de la sélectivité fonctionnelle en inhibant la synthèse de prostacycline mais sans inhiber l’activation de la protéine Gs et la génération d’ AMP cyclique. Le peptide VRQ397 ne pouvait déplacer le ligand naturel AVP marqué radioactivement; de même VRQ397 radioactif ne se liait que sur V2R et non pas sur d’autres récepteurs de la même famille tel que V1R (récepteur de la vasopressine de type I). Ces études décrivent la caractérisation de petits peptides modulateurs de la signalisation de IL-1R et V2R et présentant des propriétés de modulateurs allostériques. / The Module X approach was conceived to generate small allosteric peptides that do not (by definition) compete with the natural ligand to inhibit or modulate signalling. Orthosteric inhibition blocks the entire signalling pathways while allosteric modulators will bind to another site on the target and show functional selectivity. By reproducing parts of the flexible regions (loops) of two receptors, the IL-1 and vasopressin receptors, we generated small peptides that showed allosteric properties. To prove our concept we started with a pro-inflammatory target: IL-1 receptor. Interleukin (IL)-1 is a major pro-inflammatory cytokine which interacts with the IL-1 receptor I (IL-1RI) complex, composed of IL-1RI and IL-1R accessory protein (IL-1RacP) subunits. Presently, there are no small antagonists of the IL-1RI complex. Given this void, we derived 15 peptides from loops of IL-1RacP, which are putative interactive sites with the IL-1RI subunit. Here we substantiate the merits of one of these peptides, rytvela (we termed, 101.10), as an inhibitor of IL-1R and describe its properties consistent with those of an allosteric negative modulator. 101.10 (IC50  1 nM) blocked human thymocyte proliferation in vitro, and demonstrated robust in vivo effects in models of hyperthermia and inflammatory bowel disease as well as topically in contact dermatitis, superior to corticosteroids and IL-1ra; 101.10 did not bind to IL-1RI deficient cells and was ineffective in vivo in IL-1RI knockout mice. Importantly, characterization of 101.10, revealed non-competitive antagonist actions and functional selectivity by blocking certain IL-1R pathways while not affecting others. The second study involved a representative of the biggest family of membrane proteins: G-protein coupled receptors. Vasopressin type 2 receptor (V2R) exhibits mostly important properties for hydro-osmotic equilibrium and to a lesser extent on vasomotricity. Drugs currently acting on this receptor are analogs of the natural neuropeptide, vasopressin (AVP), and hence are competitive ligands. Six peptides reproducing juxtamembranous regions of V2R were designed and screened; the most effective peptide, CRAVKY (labelled VRQ397), was characterized. VRQ397 was potent (IC50 = 0.69 ± 0.25 nM) and fully effective in inhibiting V2R-dependent physiological function (specifically DDAVP-induced cremasteric vasorelaxation; this physiological functional assay was utilized to avoid overlooking interference of specific signaling events). Dose-response profile revealed non-competitive property of VRQ397; correspondingly, VRQ397 bound specifically to V2R-expressing cells, could not displace its natural ligand, AVP, but modulated AVP binding kinetics (dissociation rate). VRQ397 exhibited pharmacological permissiveness on V2R-induced signals as it inhibited DDAVP-induced PGI2 generation, but not that of cAMP or recruitment of — arrestin2. Consistent with in vitro and ex vivo effects as a V2R antagonist, VRQ397 displayed anticipated in vivo aquaretic efficacy. Findings describe the discovery of potent and specific small (peptide) antagonists of IL-1RI and V2R with properties in line with an allosteric negative modulator.

Les accouchements prématurés constituent un problème médical majeur en constante augmentation et ce, malgré tous les efforts mis en œuvre afin de contrer le déclenchement des contractions avant terme. Cette thèse relate du ''design'' rationnel d'un nouvel agent thérapeutique (i.e., tocolytique) qui serait capable de 1) arrêter les contractions, et 2) prolonger la gestation. Pour ce faire, une nouvelle cible, la prostaglandine F2α et son récepteur ont été sélectionnés et le peptidomimétisme a été choisi afin de résoudre cette problématique. L'introduction contient un historique rapide de la conception à la synthèse (''drug design'') du peptide parent, le PDC113, premier peptide a avoir démontré des aptitudes tocolytiques suffisantes pour faire du peptidomimétisme. La deuxième partie de l'introduction présente les concepts du peptidomimétisme appliqués au PDC113 qui ont permis d'accéder au PDC113.824, inhibiteur allostérique du récepteur de la prostaglandine F2α, et explique comment ce mime nous a permis d'élucider les mécanismes de signalisation intracellulaire impliqués dans la contraction musculaire lisse. Cette thèse présente la conception, la synthèse et l'étude structure-activité de mimes de repliement de tour β au sein du mime peptidique original (PDC113.824) dans lequel nous avons remplacé l'azabicycloalkane central (l'indolizidin-2-one) par une série d'autres azabicycloalcanes connus et des acides aza-aminés dont nous avons élaboré la synthèse. Dans un premier temps, une nouvelle stratégie de synthèse en solution de l'aza-glycyl-proline à partir de la diphényle hydrazone et du chloroformate de p-nitrophényle a été réalisée. Cette stratégie a permis d'éliminer les réactions secondaires de cyclisation intramoléculaires communément obtenues lors de l'introduction d'acides aza-aminés avec les protections traditionnelles de type carbamate en présence de phosgène, mais aussi de faciliter l'accès en une étape à des dérivés peptidiques du type aza-glycyle. L'élongation de l'aza-glycyl-proline en solution nous a permis d'accéder à un nouveau mime tetrapeptidique du Smac, un activateur potentiel de l'apoptose au sein de cellules cancéreuses. Par la suite, nous avons développé une stratégie de diversification sélective de l'azote α du résidu azaglycine en utilisant différents types d'halogénures d'alkyle en présence de tert-butoxyde de potassium. Afin de valider le protocole d'alkylation de l'aza-dipeptide, différents halogénures d'alkyle ont été testés. Nous avons également démontré l'utilité des aza-dipeptides résultants en tant que ''building block'' afin d'accéder à une variété d'azapeptides. En effet, l'aza-dipeptide a été déprotégée sélectivement soit en N-terminal soit en C-terminal, respectivement. D'autre part, la libération de l'amine de l'ester méthylique de l'aza-alkylglycyl-proline a conduit à une catégorie de composés à potentiel thérapeutique, les azadicétopipérazines (aza-DKP) par cyclisation intramoléculaire. Enfin, notre intérêt quant au développement d'un nouvel agent tocolytique nous a amené à développer une nouvelle voie de synthèse en solution du PDC113.824 permettant ainsi d'élucider les voies de signalisation intracellulaires du récepteur de la prostaglandine F2α. Afin de valider l'importance de la stéréochimie et d'étudier la relation structure/ activité du mime, nous avons remplacé l'indolizidin-2-one (I2aa) centrale du PDC113.824 par une série d'autres azabicycloalcanes et azadipeptides. Les azabicycloalcanes D-I2aa, quinolizidinone, et indolizidin-9-one ont été synthétisés et incorporés au sein du dit peptide ne donnant aucune activité ni in vitro ni ex vivo, validant ainsi l'importance du tour β de type II' pour le maintien de l'activité biologique du PDC113.824. Finalement, l'insertion d'une série de dérivés aza(alkyl)glycyl-prolyles a mené à de nouveaux inhibiteurs allostériques du récepteur de la PGF2α, l'un contenant l'azaglycine et l'autre, l'azaphénylalanine. Cette thèse a ainsi contribué, grâce à la conception et l'application de nouvelles méthodes de synthèse d'aza-peptides, au développement de nouveaux composés à potentiel thérapeutique afin d'inhiber le travail prématuré. / Premature birth is a steadily increasing major medical problem, in spite of efforts made to counter the onset of preterm contractions. This thesis describes the rational design of a new therapeutic agent (i.e., tocolytic) capable of 1) stopping uterine contractions, and 2) prolonging gestation. The prostaglandin F2α receptor was explored for tocolytic development and a peptidomimetic approach was developed to produce modulators of this novel target. A brief discussion introduces the impact of preterm birth and history on the design and synthesis of a peptide lead, PDC113, to address this unmet medical need. Subsequently, the peptidomimetic approach is described for converting PDC113 to the small molecule PDC113.824, which was shown to be an allosteric modulator of prostaglandin F2α receptor, which mediates intracellular signalling pathways involved in uterine contraction. This thesis presents the design, synthesis and structure-activity relationship study of the peptide mimic PDC113.824, in which we have replaced the central β-turn mimic moiety, the indolizidin-2-one amino acid, by a series of other previously reported azabicycloalcane turn mimics and novel aza-amino acids. To accomplish the latter, new solution-phase methods for synthesizing aza-glycyl-proline analogs were developed starting from diphenyl hydrazone and p-nitrophenyl chloroformate. This strategy has surmounted side reactions such as the intramolecular cyclization commonly obtained with traditional coupling reactions employing alkyl-carbazates and phosgene, facilitating access to aza-glycyl-proline derivatives by a one step reaction. The modification of the aza-glycyl-proline using conventional strategies led to a new Smac mimic (a proapoptotic molecule), with potential as a tetrapeptide activator of apoptosis in cancer cells. Subsequently, we focused on the diversification of the aza-glycine residue by selective alkylation using different alkyl halides in the presence of potassium tert-butoxide. To validate the alkylation protocol, various alkyl groups were employed, and the usefulness of the resulting aza-dipeptides as ''building blocks'' was examined. Conditions were developed for selectively unmasking the protecting groups at the N- and C-terminal of the aza-dipeptide. In addition, removal of the amine protection of aza-alkylglycyl-proline methyl ester gave access to a class of compounds with therapeutic potential, the aza-diketopiperazines (aza-DKP), by intramolecular cyclization. Finally, our interest in developing a new tocolytic agent led us to develop a new solution-phase synthetic route to PDC113.824 for elucidating the intracellular signalling pathways of prostaglandin F2α receptor. To explore the importance of stereochemistry and to study the relationship between structure and activity, we replaced the central indolizidin-2-one (I2aa) of PDC113.824 by a series of others azabicycloalcanes and aza-dipeptides. The D-I2aa, quinazolidinone and indolizidin-9-one analogs were synthesized and incorporated into the mimic; however, none exhibited activity neither in vitro nor ex vivo, thus indicating the importance of a type II' β-turn for maintaining biological activity of PDC113.824. Finally, the synthesis of a series of aza(alkyl)glycyl-prolyl analogs led to new allosteric modulators of the PGF2α receptor, one containing aza-glycine and another aza-phenylalanine. This results reported in this thesis have contributed to the development of novel agents with promise for inhibiting preterm labor by the conception and application of new methods for making aza-peptides.

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Les accouchements prématurés constituent un problème médical majeur en constante augmentation et ce, malgré tous les efforts mis en œuvre afin de contrer le déclenchement des contractions avant terme. Cette thèse relate du ''design'' rationnel d'un nouvel agent thérapeutique (i.e., tocolytique) qui serait capable de 1) arrêter les contractions, et 2) prolonger la gestation. Pour ce faire, une nouvelle cible, la prostaglandine F2α et son récepteur ont été sélectionnés et le peptidomimétisme a été choisi afin de résoudre cette problématique. L'introduction contient un historique rapide de la conception à la synthèse (''drug design'') du peptide parent, le PDC113, premier peptide a avoir démontré des aptitudes tocolytiques suffisantes pour faire du peptidomimétisme. La deuxième partie de l'introduction présente les concepts du peptidomimétisme appliqués au PDC113 qui ont permis d'accéder au PDC113.824, inhibiteur allostérique du récepteur de la prostaglandine F2α, et explique comment ce mime nous a permis d'élucider les mécanismes de signalisation intracellulaire impliqués dans la contraction musculaire lisse. Cette thèse présente la conception, la synthèse et l'étude structure-activité de mimes de repliement de tour β au sein du mime peptidique original (PDC113.824) dans lequel nous avons remplacé l'azabicycloalkane central (l'indolizidin-2-one) par une série d'autres azabicycloalcanes connus et des acides aza-aminés dont nous avons élaboré la synthèse. Dans un premier temps, une nouvelle stratégie de synthèse en solution de l'aza-glycyl-proline à partir de la diphényle hydrazone et du chloroformate de p-nitrophényle a été réalisée. Cette stratégie a permis d'éliminer les réactions secondaires de cyclisation intramoléculaires communément obtenues lors de l'introduction d'acides aza-aminés avec les protections traditionnelles de type carbamate en présence de phosgène, mais aussi de faciliter l'accès en une étape à des dérivés peptidiques du type aza-glycyle. L'élongation de l'aza-glycyl-proline en solution nous a permis d'accéder à un nouveau mime tetrapeptidique du Smac, un activateur potentiel de l'apoptose au sein de cellules cancéreuses. Par la suite, nous avons développé une stratégie de diversification sélective de l'azote α du résidu azaglycine en utilisant différents types d'halogénures d'alkyle en présence de tert-butoxyde de potassium. Afin de valider le protocole d'alkylation de l'aza-dipeptide, différents halogénures d'alkyle ont été testés. Nous avons également démontré l'utilité des aza-dipeptides résultants en tant que ''building block'' afin d'accéder à une variété d'azapeptides. En effet, l'aza-dipeptide a été déprotégée sélectivement soit en N-terminal soit en C-terminal, respectivement. D'autre part, la libération de l'amine de l'ester méthylique de l'aza-alkylglycyl-proline a conduit à une catégorie de composés à potentiel thérapeutique, les azadicétopipérazines (aza-DKP) par cyclisation intramoléculaire. Enfin, notre intérêt quant au développement d'un nouvel agent tocolytique nous a amené à développer une nouvelle voie de synthèse en solution du PDC113.824 permettant ainsi d'élucider les voies de signalisation intracellulaires du récepteur de la prostaglandine F2α. Afin de valider l'importance de la stéréochimie et d'étudier la relation structure/ activité du mime, nous avons remplacé l'indolizidin-2-one (I2aa) centrale du PDC113.824 par une série d'autres azabicycloalcanes et azadipeptides. Les azabicycloalcanes D-I2aa, quinolizidinone, et indolizidin-9-one ont été synthétisés et incorporés au sein du dit peptide ne donnant aucune activité ni in vitro ni ex vivo, validant ainsi l'importance du tour β de type II' pour le maintien de l'activité biologique du PDC113.824. Finalement, l'insertion d'une série de dérivés aza(alkyl)glycyl-prolyles a mené à de nouveaux inhibiteurs allostériques du récepteur de la PGF2α, l'un contenant l'azaglycine et l'autre, l'azaphénylalanine. Cette thèse a ainsi contribué, grâce à la conception et l'application de nouvelles méthodes de synthèse d'aza-peptides, au développement de nouveaux composés à potentiel thérapeutique afin d'inhiber le travail prématuré. / Premature birth is a steadily increasing major medical problem, in spite of efforts made to counter the onset of preterm contractions. This thesis describes the rational design of a new therapeutic agent (i.e., tocolytic) capable of 1) stopping uterine contractions, and 2) prolonging gestation. The prostaglandin F2α receptor was explored for tocolytic development and a peptidomimetic approach was developed to produce modulators of this novel target. A brief discussion introduces the impact of preterm birth and history on the design and synthesis of a peptide lead, PDC113, to address this unmet medical need. Subsequently, the peptidomimetic approach is described for converting PDC113 to the small molecule PDC113.824, which was shown to be an allosteric modulator of prostaglandin F2α receptor, which mediates intracellular signalling pathways involved in uterine contraction. This thesis presents the design, synthesis and structure-activity relationship study of the peptide mimic PDC113.824, in which we have replaced the central β-turn mimic moiety, the indolizidin-2-one amino acid, by a series of other previously reported azabicycloalcane turn mimics and novel aza-amino acids. To accomplish the latter, new solution-phase methods for synthesizing aza-glycyl-proline analogs were developed starting from diphenyl hydrazone and p-nitrophenyl chloroformate. This strategy has surmounted side reactions such as the intramolecular cyclization commonly obtained with traditional coupling reactions employing alkyl-carbazates and phosgene, facilitating access to aza-glycyl-proline derivatives by a one step reaction. The modification of the aza-glycyl-proline using conventional strategies led to a new Smac mimic (a proapoptotic molecule), with potential as a tetrapeptide activator of apoptosis in cancer cells. Subsequently, we focused on the diversification of the aza-glycine residue by selective alkylation using different alkyl halides in the presence of potassium tert-butoxide. To validate the alkylation protocol, various alkyl groups were employed, and the usefulness of the resulting aza-dipeptides as ''building blocks'' was examined. Conditions were developed for selectively unmasking the protecting groups at the N- and C-terminal of the aza-dipeptide. In addition, removal of the amine protection of aza-alkylglycyl-proline methyl ester gave access to a class of compounds with therapeutic potential, the aza-diketopiperazines (aza-DKP), by intramolecular cyclization. Finally, our interest in developing a new tocolytic agent led us to develop a new solution-phase synthetic route to PDC113.824 for elucidating the intracellular signalling pathways of prostaglandin F2α receptor. To explore the importance of stereochemistry and to study the relationship between structure and activity, we replaced the central indolizidin-2-one (I2aa) of PDC113.824 by a series of others azabicycloalcanes and aza-dipeptides. The D-I2aa, quinazolidinone and indolizidin-9-one analogs were synthesized and incorporated into the mimic; however, none exhibited activity neither in vitro nor ex vivo, thus indicating the importance of a type II' β-turn for maintaining biological activity of PDC113.824. Finally, the synthesis of a series of aza(alkyl)glycyl-prolyl analogs led to new allosteric modulators of the PGF2α receptor, one containing aza-glycine and another aza-phenylalanine. This results reported in this thesis have contributed to the development of novel agents with promise for inhibiting preterm labor by the conception and application of new methods for making aza-peptides.

The fidelity of biological processes and reactions, inspite of the widespread diversity, is programmed by highly specific physico-chemical principles. This underlines our basic understanding of different interesting phenomena of biological relevance, ranging from enzyme specificity to allosteric communication, from selection of fold to structural organization / states of oligomerization, from half-sites-reactivity to reshuffling of the conformational free energy landscape, encompassing the dogma of sequence-structure dynamics-function of macromolecules. The role of striking an optimal balance between rigidity and flexibility in macromolecular 3D structural organisation is yet another concept that needs attention from the functional perspective. Needless to say that the variety of protein structures and conformations naturally leads to the diversity of their function and consequently many other biological functions in general. Classical models of allostery like the ‘MWC model’ or the ‘KNF model’ and the more recently proposed ‘population shift model’ have advanced our understanding of the underlying principles of long range signal transfer in macromolecules. Extensive studies have also reported the importance of the fold selection and 3D structural organisation in the context of macromolecular function. Also ligand induced conformational changes in macromolecules, both subtle and drastic, forms the basis for controlling several biological processes in an ordered manner by re-organizing the free energy landscape. The above mentioned biological phenomena have been observed from several different biochemical and biophysical approaches. Although these processes may often seem independent of each other and are associated with regulation of specialized functions in macromolecules, it is worthwhile to investigate if they share any commonality or interdependence at the detailed atomic level of the 3D structural organisation. So the nagging question is, do these diverse biological processes have a unifying theme, when probed at a level that takes into account even subtle re-orchestrations of the interactions and energetics at the protein/nucleic acid side-chain level. This is a complex problem to address and here we have made attempts to examine this problem using computational tools. Two methods have been extensively applied: Molecular Dynamics (MD) simulations and network theory and related parameters. Network theory has been extensively used in the past in several studies, ranging from analysis of social networks to systems level networks in biology (e.g., metabolic networks) and have also found applications in the varied fields of physics, economics, cartography and psychology. More recently, this concept has been applied to study the intricate details of the structural organisation in proteins, providing a local view of molecular interactions from a global perspective. On the other hand, MD simulations capture the dynamics of interactions and the conformational space associated with a given state (e.g., different ligand-bound states) of the macromolecule. The unison of these two methods enables the detection and investigation of the energetic and geometric re-arrangements of the 3D structural organisation of macromolecule/macromolecular complexes from a dynamical or ensemble perspective and this has been one of the thrust areas of the current study. So we not only correlate structure and functions in terms of subtle changes in interactions but also bring in conformational dynamics into the picture by studying such changes along the MD ensemble. The focus was to identify the subtle rearrangements of interactions between non-covalently interacting partners in proteins and the interacting nucleic acids. We propose that these rearrangements in interactions between residues (amino acids in proteins, nucleic acids in RNA/DNA) form the common basis for different biological phenomena which regulates several apparently unrelated processes in biology. Broadly, the major goal of this work is to elucidate the physico-chemical principles underlying some of the important biological phenomena, such as allosteric communication, ligand induced modulation of rigidity/flexibility, half-sites-reactivity and so on, in molecular details. We have investigated several proteins, protein-RNA/DNA complexes to formulate general methodologies to address these questions from a molecular perspective. In the process we have also specifically illuminated upon the mechanistic aspects of the aminoacylation reaction by aminoacyl-tRNA synthetases like tryptophanyl and pyrrolysyl tRNA synthetase, structural details related to an enzyme catalyzed reaction that influences the process of quorum sensing in bacteria. Further, we have also examined the ‘dynamic allosterism’ that manipulates the activity of MutS, a prominent component of the DNA bp ‘mismatch repair’ machinery. Additionally, our protein structure network (PSN) based studies on a dataset of Rossmann fold containing proteins have provided insights into the structural signatures that drive the adoption of a fold from a repertoire of diverse sequences. Ligand induced percolations distant from the active sites, which may be of functional relevance have also been probed, in the context of the S1A family of serine proteases. In the course of our investigation, we have borrowed several concepts of network parameters from social network analysis and have developed new concepts. The Introduction (Chapter-1) summarizes the relevant literature and lays down a suitable background for the subsequent chapters in the thesis. The major questions addressed and the main goal of this thesis are described to set an appropriate stage for the detailed discussions. The methodologies involved are discussed in Chapter-2. Chapter-3 deals with a protein, LuxS that is involved in the bacterial quorum sensing; the first part of the chapter describes the application of network analysis on the static structures of several LuxS proteins from different organisms and the second part of this chapter describes the application of a dynamic network approach to analyze the MD trajectories of H.pylori LuxS. Chapter-4 focuses on the investigation of human tryptophanyl-tRNA synthetase (hTrpRS), with an emphasis to identify ligand induced subtle conformational changes in terms of the alternation of rigidity/flexibility at different sites and the re-organisation of the free energy landscape. Chapter-5 presents a novel application of a quantum clustering (QC) technique, popular in the fields of pattern recognition, to objectively cluster the conformations, sampled by molecular dynamics simulations performed on different ligand bound structures of the protein. The protein structure network (PSN) in the earlier studies were constituted on the basis of geometric interactions. In Chapters 6 and 7, we describe the networks (proteins+nucleic acids) using interaction energy as edges, thus incorporating the detailed chemistry in terms of an energy-weighted complex network. Chapter-6 describes an application of the energy weighted network formalism to probe allosteric communication in D.hafniense pyrrolysyl-tRNA synthetase. The methodology developed for in-depth study of ligand induced changes in DhPylRS has been adopted to the protein MutS, the first ‘check-point protein’ for DNA base pair (bp) mismatch repair. In Chapter-7, we describe the network analysis and the biological insights derived from this study (the work is done in collaboration with Prof. David Beveridge and Dr. Susan Pieniazek). Chapter-8 describes the application of a network approach to capture the ligand-induced subtle global changes in protein structures, using a dataset of high resolution structures from the S1A family of serine proteases. Chapter-9 deals with probing the structural rationale behind diverse sequences adopting the same fold with the NAD(P)-binding Rossmann fold as a case study. Future directions are discussed in the final chapter of the thesis (Chapter-10).