Fur (Ferric Uptake Regulator) est un régulateur transcriptionnel spécifique des bactéries qui intervient dans le contrôle de l'homéostasie du fer, ce qui en fait une cible antibactérienne intéressante. Avant mon arrivée au laboratoire, quatre inhibiteurs interagissant spécifiquement avec Fur avaient été isolés. La partie active de ces inhibiteurs consiste en des peptides de 13 acides aminés. Au cours de cette thèse, j'ai utilisé une double-approche : théorique et expérimentale pour étudier l'interaction de ces peptides avec Fur afin de comprendre le mécanisme d'inhibition. J'ai synthétisé plusieurs séquences peptidiques, montré par des tests biochimiques que certaines inhibaient Fur et déterminé les interactions importantes à l'activité inhibitrice. J'ai obtenu des modèles théoriques des complexes Fur/peptides par amarrage moléculaire, cohérents avec les résultats expérimentaux, qui ont mis en évidence une zone d'inhibition de Fur. Des criblages in silico dans cette zone ont permis de sélectionner de petites molécules, inhibitrices potentielles de Fur et donc intéressantes pour des applications thérapeutiques.

L’ADN, support de l’information génétique, est constamment altéré par des agents physiques ou chimiques d’origines endogènes (métabolisme) et exogènes (UV, radiations ionisantes, produits chimiques) dont les effets sont génotoxiques. Ces modifications structurales délétères de l’ADN sont éliminées par de nombreux mécanismes de réparation. Parmi eux, le système de réparation par excision de bases (BER) est initié par les ADN glycosylases qui reconnaissent et éliminent les bases endommagées. Dans certaines stratégies anti-cancéreuses, l’utilisation de la chimiothérapie et la radiothérapie ont pour but la destruction des cellules cancéreuses en altérant leur ADN. Dans ce contexte, les ADN glycosylases réparent l’ADN des cellules traitées et induisent une résistance non désirée au traitement, faisant de ces enzymes des cibles thérapeutiques intéressantes. Le but de ces travaux est d’approfondir la compréhension des mécanismes de réparation des ADN glycosylases de la superfamille structurale Fpg/Nei grâce à la modélisation moléculaire et de pouvoir identifier et concevoir des inhibiteurs de ces enzymes. Les simulations de dynamique moléculaire (DM) nous ont permis d’étudier la « Lesion Capping Loop » (LCL) et de l’associer à la stabilisation de la base endommagée positionnée dans le site actif. Nous avons également étudié les chemins de sortie possibles de la base après coupure par l’enzyme et l’implication de la boucle LCL dans ce phénomène grâce à des simulations de DM ciblée (TMD-1). De plus, les simulations de DM couplées à un protocole d’amarrage moléculaire « aveugle » nous ont permis d’identifier 2 sites de fixations possibles majoritaires pour des petites molécules potentiellement inhibitrices. Un de ces sites correspondant au site actif de hNEIL1 a fait l’objet d’un criblage virtuel d’une partie de la base de molécules Ambinter. Ceci nous a permis d’identifier des molécules potentiellement inhibitrices dont les effets seront prochainement testés in vitro dans l’équipe sur la protéine humaine hNeil1. / The DNA, genetic information support, is frequently damaged by physical or chemical agents from endogenous (cell metabolism) and exogenous (UV, ionizing radiations, chemicals) factors whose effects are genotoxic. These deleterious DNA structural alterations are removed by many DNA repair mechanisms. Among them, the base excision repair (BER) is initiated by DNA glycosylases which recognize and remove damaged bases. In some anti-cancer strategies, the use of chemo- and radiotherapy is aimed to cancerous cells destruction by altering their DNA. In that specific context, DNA glycosylases repair the DNA of treated cells and induce unwanted resistance to treatments, making these enzymes interesting therapeutic targets. The purpose of this work is to deepen the repair mechanism knowledge of Fpg/Nei structural superfamily of DNA glycosylases using molecular modeling and designing inhibitors of these enzymes. Molecular dynamic simulations allowed us to study the « Lesion Capping Loop » (LCL) and to associate its role to substrate stabilization in the enzyme active site. We also studied some possible excision’s product release pathways and LCL implication in this phenomena by targeted molecular dynamic simulations (TMD-1). Furthermore, molecular dynamic simulations coupled to a blind molecular docking protocol allowed us to identify 2 possible main binding sites of potential inhibitiors. One of these binding sites corresponding to the hNEIL1 active site has been the object of a virtual screening of the Greenpharma database. This allowed us to identify potential inhibitors whom effects will be soon tested in vitro on the humain protein hNEIL1.

Fur (Ferric Uptake Regulator) est un régulateur transcriptionnel spécifique des bactéries qui intervient dans le contrôle de l'homéostasie du fer, ce qui en fait une cible antibactérienne intéressante. Avant mon arrivée au laboratoire, quatre inhibiteurs interagissant spécifiquement avec Fur avaient été isolés. La partie active de ces inhibiteurs consiste en des peptides de 13 acides aminés. Au cours de cette thèse, j'ai utilisé une double-approche : théorique et expérimentale pour étudier l'interaction de ces peptides avec Fur afin de comprendre le mécanisme d'inhibition. J'ai synthétisé plusieurs séquences peptidiques, montré par des tests biochimiques que certaines inhibaient Fur et déterminé les interactions importantes à l'activité inhibitrice. J'ai obtenu des modèles théoriques des complexes Fur/peptides par amarrage moléculaire, cohérents avec les résultats expérimentaux, qui ont mis en évidence une zone d'inhibition de Fur. Des criblages in silico dans cette zone ont permis de sélectionner de petites molécules, inhibitrices potentielles de Fur et donc intéressantes pour des applications thérapeutiques. / Fur (Ferric Uptake Regulator) is a transcriptional regulator involved in the control of iron homeostasis. Specific to bacteria, Fur is an attractive antibacterial target. Before my arrival in the laboratory, four inhibitors interacting specifically with Fur had been isolated. The active part of these inhibitors consists of peptides of 13 amino acids. In this thesis I have used both theoretical and experimental approaches to study interactions of these peptides with Fur in order to understand the inhibition mechanism. I have synthesized several peptide sequences, shown through biochemical assays that some of them could inhibit Fur and I have identified residues important to the inhibitory activity. I‘ve obtained theoretical models of Fur/peptide complexes consistent with experimental results, which reveal an inhibition pocket in Fur. Small molecules have then been selected though In silico screening of this pocket, that could potentially inhibit Fur, and thus be interesting for therapeutic applications.

Les antibiotiques sont les médicaments les plus utilisés dans la médecine moderne. Depuis leurs découvertes, ils ont drastiquement changé la façon dont les infections sont traitées. Toutefois, à travers le processus d’adaptation, les bactéries deviennent éventuellement résistantes aux antibiotiques. Malgré leur omniprésence dans la biosphère, l’émergence de souches résistantes est favorisée par le mauvais usage des antibiotiques, ce qui crée une menace importante pour la santé publique. Les antibiotiques actuelles perdent graduellement leur efficacité, et vue le faible nombre de nouvelles molécules développées, la priorité est donnée pour la découverte de nouvelles stratégies capables de combattre les pathogènes. Les nouvelles cibles thérapeutiques idéales doivent exercer une faible pression évolutive, diminuer la virulence et être unique aux microorganismes. Une façon d’atteindre cet objectif est d’interférer dans la régulation et l’homéostasie du Fer chez les bactéries. La biodisponibilité du Fer a fortement influencé l’émergence de la vie sur terre et les stratégies évolutives qu’elle a adoptée. Ce qui a mené à l’apparition d’un mécanisme central de détection du Fer assurant la régulation de cet élément de haute importance. Ce senseur est un point faible que nous pourrons exploiter dans notre combat contre les infections bactériennes. La protéine Fur, pour « Ferric Uptake Regulator », est un régulateur de transcription métal dépendant qui est impliqué dans vaste réseau de régulation contrôlant principalement l’homéostasie du Fer et l’expression de facteurs de virulence. Le travail présenté dans ce manuscrit complète les études précédentes sur des inhibiteurs de la protéine Fur en utilisant une approche combinée théorique et expérimentale grâce a des expériences de XAS, SAXS et MALLS associé a de la modélisation moléculaire. Nous décrivons pour la première fois la structure de Fur d’E. coli ainsi que la structure d’un tétramère de Fur d’un mutant de P. aeruginosa. Par ailleurs, les profils d’énergie libre des protéines Fur de différentes espèces ont été déterminé, pour des complexes tetramériques ou dans le cas de dimères liés à l’ADN, permettant une compréhension préliminaire de leur mécanistique. Les informations structurales obtenues grâce aux travaux présentés dans ce manuscrit permettront de mieux comprendre les mécanismes d’inhibition des protéines Fur ainsi que fournir de nouvelles opportunités pour le développement de molécules a visée thérapeutique. / The most commonly prescribed drugs in human medicine are antibiotics. Since their discovery, they have drastically impacted the way we treat infections. However, a bacterium eventually becomes resistant to antimicrobial treatment through the natural process of adaptative evolution. Even if resistant bacteria are omnipresent in the biosphere, their emergence rate is accelerated by the misuse of antimicrobial agents leading to the public health threat we are facing now. As currently available antimicrobial agents lose their effectiveness and very few new drugs are being developed, a breakthrough in new strategies to fight pathogens should be a priority. Ideal new therapeutic targets should exert weak evolutionary pressure, disarm or weaken the pathogen and be unique to microorganisms. One way to do so is by interfering with the iron regulation and its homeostasis within Bacteria. The bioavailability of iron strongly influenced early life and the metabolic strategies that sustained it. A central iron sensing mechanism evolved to ensure the regulation of such an important element. Sadly for bacteria this sensor became an exploitable weakness in our battle against infection. The “Ferric Uptake Regulator” is a metal dependent transcription regulator with a large regulatory network controlling iron homeostasis and bacterial virulence. This work continues previous investigations on Fur inhibitors using a combined experimental and theoretical approach by performing XAS, SAXS and MALLS experiments together with computer simulations. We describe for the first time the structures of Fur from E. coli in addition to a tetrameric Fur structure of a mutant from P. aeruginosa. Moreover, free energy profiles of Fur proteins, as tetramers or dimers bound to DNA, from different species were generated and key residues involved in the interactions determined, providing mechanistic insights into Fur complexes. The structural information gathered from this work will be used to better understand inhibition mechanisms of Fur proteins providing new opportunities to overcome drug development challenges.

Depuis les travaux précurseurs de Richard et al., les constructions géométriques<br />occupent une place importante dans la description des macro-molécules et leurs assemblages.<br />En particulier, certains complexes cellulaires liés au diagramme de Voronoï<br />ont été utilisés pour décrire les propriétés de compacité des empilement atomiques,<br />calculer des surfaces moléculaires, ou encore détecter des cavités à la surface des molécules.<br />Cette thèse se positionne dans ce contexte, et après une brève introduction à la<br />structure des protéines, détaille quatre contributions.<br /><br />Premièrement, en utilisant le principe de balayage introduit par <br />Bentley et Ottmann, cette thèse présente le premier algorithme effectif<br />pour construire l'arrangement exact de cercles sur une sphère.<br />De plus, en supposant que les cercles proviennent de l'intersection entre<br />sphères, une stratégie pour calculer les listes couvrantes d'une face de<br />l'arrangement (i.e. la liste des boules qui la recouvrent) est proposée.<br />L'exactitude n'étant pas une fin en soi, mais plutôt une façon de rendre l'algorithmique<br />robuste, nous montrons expérimentalement que le surcoût induit est modeste.<br /><br />Deuxièmement, cette thèse développe les primitives algébriques et géométriques<br />requises par l'algorithme de balayage afin de le rendre générique et robuste. Ces primitives<br />sont intégrées dans une contexte plus général, à savoir le noyau CGAL pour les objets sphériques.<br /><br />Troisièmement, la machinerie introduite est utilisée pour traiter un problème<br />de biologie structurale computationelle : la sélection d'un sous-ensemble varié<br />à partir d'un ensemble redondant de conformations de boucles.<br />Nous proposons de résoudre ce problème de sélection en retenant les <br />représentants qui maximisent l'aire ou le volume de la sélection.<br />Ces questions peuvent être traitées géométriquement à l'aide d'arrangements de cercles sur une sphère.<br />La validation est faîte sur deux fronts.<br />D'un point de vue géométrique, nous montrons que notre approche génère des sélections<br />dont l'aire de la surface moléculaire équivaut à celle de sélections obtenues par des stratégies <br />classiques, mais qui sont de taille nettement inférieure.<br />Du point de vue amarrage de protéines, nous montrons que nos sélections améliorent de<br />manière significative les résultats obtenus à l'aide d'un algorithme manipulant des<br />parties flexibles.<br /><br />Pour finir, nous discutons les problèmes et choix d'implémentation, en<br />les replaçant dans le contexte de la librairie CGAL.

Le criblage virtuel est utilisé dans la recherche de médicaments et la construction de modèle de prédiction de toxicité. L’application d’un protocole de criblage est précédée par une étape d’évaluation sur une banque de données de référence. La composition des banques d’évaluation est un point critique ; celles-ci opposent généralement des molécules actives à des molécules supposées inactives, faute de publication des données d’inactivité. Les molécules inactives sont néanmoins porteuses d’information. Nous avons donc créé la banque NR-DBIND composée uniquement de molécules actives et inactives expérimentalement validées et dédiées aux récepteurs nucléaires. L’exploitation de la NR-DBIND nous a permis d’étudier l’importance des molécules inactives dans l’évaluation de modèles de docking et dans la construction de modèles de pharmacophores. L’application de protocoles de criblage a permis d’élucider des modes de liaison potentiels de petites molécules sur FXR, NRP-1 et TNF⍺. / Virtual screening is widely used in early stages of drug discovery and to build toxicity prediction models. Commonly used protocols include an evaluation of the performances of different tools on benchmarking databases before applying them for prospective studies. The content of benchmarking tools is a critical point; most benchmarking databases oppose active data to putative inactive due to the scarcity of published inactive data in the literature. Nonetheless, experimentally validated inactive data also bring information. Therefore, we constructed the NR-DBIND, a database dedicated to nuclear receptors that contains solely experimentally validated active and inactive data. The importance of the integration of inactive data in docking and pharmacophore models construction was evaluated using the NR-DBIND data. Virtual screening protocols were used to resolve the potential binding mode of small molecules on FXR, NRP-1 et TNF⍺.