Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La famille des GTPases Rho, comprenant 20 membres, contrôle la dynamique du cytosquelette d'actine et différents processus cellulaires comme la migration. En plus de leurs rôles bien établis, certaines GTPases Rho, notamment RhoB et Rac1, ont émergé en tant que gènes de réponse précoce aux dommages à l'ADN. En effet, RhoB est induite en réponse à divers stress génotoxiques, y compris la camptothécine (CPT), les UV et le cisplatine, et protège principalement les cellules de l'apoptose. Le rôle des autres GTPases Rho en réponse précoce aux génotoxiques reste largement méconnu. Dans ce projet, nous avons utilisé la camptothécine, un inhibiteur de la topoisomérase I (TOP1), qui stabilise sélectivement les complexes de clivage TOP1-ADN (TOP1cc) sur la chromatine, afin de cribler les GTPases Rho induites de façon précoce par les dommages à l'ADN. En plus de RhoB, nous avons identifié RND1 comme un gène rapidement induit par la CPT. L'induction de RND1 est réversible et étroitement corrélée à la présence de TOP1cc induit par la CPT. En accord avec ces observations, les rayons UV et le péroxyde d'hydrogène, qui stabilisent indirectement les TOP1cc, induisent également RND1. La CPT augmente la transcription de RND1 indépendamment de l'activité de son promoteur minimal. De plus, la CPT augmente l'activité de la poly ADP-ribose polymérase (PARP1), dont l'inhibition prévient la transcription de RND1. La surexpression de RND1 augmente également l'expression de PARP1, suggérant une régulation positive entre PARP1 et RND1 en réponse aux TOP1cc. Ainsi, nous proposons qu'en réponse à la CPT, les TOP1cc activent PARP1, qui à son tour favorise la transcription de RND1, initiant ainsi une boucle de rétrocontrôle positive. Enfin, nous avons montré que RND1 protège les cellules contre l'apoptose induite par la CPT et entraîne leur résistance à la CPT. L'ensemble de ces résultats ont permis d'identifier RND1 comme nouvelle GTPase Rho impliquée dans la réponse au stress et proposent un nouveau mécanisme de régulation de la transcription des gènes en réponse aux TOP1cc via l'activation de PARP1. Ces résultats suggèrent par ailleurs qu'inhiber la signalisation de RND1 pourrait sensibiliser les cellules tumorales aux dérivés cliniques de la CPT. / Rho GTPase family comprises 20 members that regulate key cellular functions such as actin cytoskeleton organization and migration. Beside their canonical functions, certain Rho GTPases, including RhoB and Rac1, emerged as early DNA damage-inducible genes. Indeed, RhoB is readily induced in response to various genotoxic stress, including camptothecin (CPT), UV and cisplatin, and primarily protect cells against apoptotic cell death. Whether other Rho GTPases also respond early to genotoxics is largely unknown. In this project, we used camptothecin, a topoisomerase I (TOP1) inhibitor that selectively stabilized TOP1-DNA cleavage complexes (TOP1cc) onto chromatin, to screen for early DNA damage-inducible Rho GTPases. Besides RhoB, we identified RND1 as a gene rapidly induced by CPT. RND1 induction is reversible and closely associated with the presence of TOP1cc induced by CPT. Consistently, UV light and hydrogen peroxide, which indirectly stabilized TOP1cc, induce RND1 as well. CPT increases minimal promoter-independent RND1 transcription. Additionally, CPT increases poly ADP-ribose polymerase (PARP1) activity, whose inhibition prevents RND1 transcription. Overexpression of RND1 also increases PARP1 expression, suggesting a positive regulation between PARP1 and RND1 in response to TOP1cc. Thus, we propose that in response to CPT, TOP1cc activate PARP1, which in turn promotes RND1 transcription resulting in a positive feedback loop. Finally, we found that RND1 protects cells against CPT-induced apoptosis and leads to resistance to CPT. Together, these results highlight RND1 as a new Rho GTPase involved in the response to stress and propose a new mechanism for TOP1cc-induced gene transcription through PARP1 activation. These findings further suggest that inhibiting RND1 signaling could sensitize tumor cells to CPT derivatives.

La 20(S)-camptothécine (CPT) est un alcaloïde pentacyclique doté d'une activité anticancéreuse remarquable, agissant comme inhibiteur de la topoisomérase I (topo I). Le problème majeur de ce composé (et de la plupart de ses dérivés) est la fragilité de son cycle E qui s'hydrolyse rapidement à pH physiologique pour conduire au carboxylate correspondant inactif. L'une des approches permettant de pallier ce problème d'hydrolyse consiste à modifier le cycle E. Ce travail de thèse porte sur la synthèse totale de deux nouveaux analogues de la CPT modifiés au niveau du cycle E. Chacune de ces synthèses fait appel à une cycloaddition [3+2] afin de préparer l'hydroxypyridone de départ (cycles C et D), à un réarrangement de Claisen permettant de mettre en place le cycle E et à une condensation de Friedländer pour installer le motif quinoléinique (cycles A et B). Le premier analogue synthétisé, la (±) 17 norcamptothécine (17-norCPT), possède une α-hydroxy γ-lactone à la place de l'α-hydroxy δ-lactone de la CPT. Ce composé a été obtenu en neuf étapes avec un rendement de 4,4% à partir de l'hydroxypyridone de départ. Le test d'inhibition de la topo I a été réalisé, mais cette molécule s'est révélée totalement inactive. Cependant, une étude de la cinétique d'hydrolyse de la 17-norCPT, réalisée par spectroscopie de fluorescence, a permis de montrer que cet analogue était très instable en milieu aqueux. Le second composé préparé est en fait un homologue de la 17 norCPT possédant un méthylène entre l'oxygène et le carbonyle de la lactone. Cette molécule, comportant un motif céto éther, est donc un isomère de la CPT. Elle a été obtenue par deux voies de synthèse différant l'une de l'autre par l'ordre des réactions mises en œuvre. Chacune de ces approches permet d'obtenir le composé souhaité en neuf étapes à partir de l'hydroxypyridone de départ, avec un rendement de 16% et 10% respectivement. Les tests biologiques sur le composé final sont actuellement en cours.

Une des principales limites de la chimiothérapie du cancer est le manque de sélectivité des agents cytotoxiques vis-à-vis des cellules tumorales, entrainant de nombreux effets secondaires. L’intérêt de la vectorisation est d’administrer l’agent cytotoxique sélectivement aux cellules cancéreuses et ainsi d’éviter de faire subir l’action du médicament aux cellules saines. Cette thèse a pour but de synthétiser des prodrogues multivalentes qui utilisent la sous unité B de la toxine de Shiga (STxB) comme agent de vectorisation, ciblant préférentiellement les cellules cancéreuses Gb3-positives. Les deux agents cytotoxiques choisis, un dérivé de la camptothécine et de l’auristatine, ont été liés de façon covalente auvecteur via un espaceur bifonctionnel clivable par le glutathion. L’espaceur a également été remplacé par un répartiteur multivalent susceptible de délivrer une quantité plus importante d’agent cytotoxique à l’intérieur des cellules tumorales.Parallèlement à ce projet de vectorisation d’un agent thérapeutique, des sondes IRM capables de marquer in vivo les tumeurs possédant à leur surface le récepteur Gb3 ont été synthétisées. L’IRM a une très bonne définition spatiale, mais souffre d’un manque de sensibilité. Pour augmenter le contraste, nous avons utilisé une stratégie reposant sur lamultivalence des espaceurs liés à des molécules de DOTA-Gd, un agent de contraste classiquement utilisé en IRM. Ces dernières ont été fixées à STxB via un répartiteur multivalent (des nano-bâtonnets d’or). Le signal IRM est plus intense et donc plus facile à détecter. Enfin, nous avons développé une nouvelle méthode chimique basée sur la ligationoxime pour optimiser la création de conjugués entre STxB et des antigènes comme outils de vaccination. Le conjugué STxB-ovalbumine a permis une meilleure présentation de l’antigène par les cellules dendritiques, conduisant chez la souris à une induction efficace de lymphocytes T. / Pas de résumé en anglais

La première partie de ce travail a été consacrée à la synthèse d'analogues de la 22-hydroxyacuminatine, un alcaloïde isolé du camptotheca acuminata. L'approche développée est basée sur une réaction d'électrocyclisation ainsi que sur une condensation de Friedländer avec des o-aminocétones et o-aminobenzaldéhydes substitués. Les analogues synthétisés selon cette voie ont ensuite fait l'objet de tests biologiques. Dans la deuxième partie, nous avons développé une nouvelle voie d'accès à la camptothécine, sous sa forme racémique. Cet alcaloïde pentacyclique, également isolé du camptothéca acuminata, s'est avéré être un puissant anticancéreux agissant comme inhibiteur de la topoisomérase I. Les étapes-clé de notre approche font intervenir une cycloaddition [3+2] intramoléculaire, une oxydation benzylique et une condensation de Friedländer.

La lavendamycine est une molécule d'origine naturelle isolée en 1981 et formée par Streptomyces lavendulae qui est une bactérie. Cette molécule pentacyclique possède des propriétés antivirale, antimicrobienne et anticancéreuse. En effet, elle permet d'inhiber l'activité enzymatique des topoisomérases de type I (enzymes nécessaires à la réplication de l'ADN lors de la division cellulaire). Cependant, son intérêt est assez limité du fait de sa toxicité élevée pour l'organisme humain. Des travaux antérieurs réalisés au laboratoire ont permis de synthétiser des analogues de la lavendamycine. Ces analogues diversement substitués se sont révélés moins toxiques mais de faible activité biologique. Ces composés possèdent une certaine mobilité conformationnelle (rotation autour de liaison entre les cycles). Il serait alors intéressant de conférer une rigidité structurale à ces molécules par la création d'un nouveau cycle afin d'obtenir des structures analogues à celle de la camptothécine (substance inhibitrice la plus connue des topoisomérases de type I).<br /><br />Pour synthétiser ces analogues de la lavendamycine à géométrie contrainte, nous avons d'abord préparé un premier analogue pentacyclique possédant un groupement hydroxyméthyle en position 3. L'étape-clef de cette synthèse est une réaction de Pictet-Spengler entre une quinoléine fonctionnalisée et l'ester méthylique du tryptophane. Dans un premier temps, nous avons tenté de créer le nouveau cycle via une cyclisation intramoléculaire en milieu basique au niveau d'un nucléofuge (introduit à partir du groupe hydroxyle) et de l'azote pyrrolique du cycle D. Mais la préparation des composés à groupements nucléofuges a posé de gros problèmes et cette approche n'a pas abouti. En revanche dans un deuxième temps, une cyclisation intramoléculaire réalisée à partir d'un aldéhyde (obtenu à partir du groupement hydroxyméthyle) et de l'azote pyrrolique du cycle D a permis de former la structure hexacyclique souhaitée. Les deux premiers analogues de la lavendamycine à géométrie contrainte ont ainsi été obtenus en huit et neuf étapes avec des rendements globaux de 9,9% et 5,1%.<br /><br />Nous avons poursuivi notre étude par une fonctionnalisation des analogues à mobilité conformationnelle réduite. En effet, nous avons d'abord préparé des analogues possédant un groupement amino en position 7 sur le cycle A. Cette fonctionnalité a été introduite très tôt dans la synthèse et elle a nécessité une protection sous forme de ditosylamide. Nous avons également préparé des analogues qui tout en conservant ce groupement amino en position 7 avaient soit un groupement méthoxy en position 6 sur le cycle A, soit un groupement éthyle sur la position 4 du cycle B. Malgré des difficultés, ces trois séries d'analogues ont été préparées en neuf ou dix étapes avec des rendements globaux compris entre 1,2% et 4,8%.<br /><br />Ces analogues de la lavendamycine à géométrie contrainte, ou non, ont été soumis à des tests biologiques par le NCI (National Cancer Institute). Ils ont montré généralement une certaine activité biologique mais qui n'était pas suffisamment importante pour être exploitée en tant qu'agents anticancéreux.

La première partie de ce travail a été consacrée à la synthèse asymétrique formelle de la (+)-anatoxine-a, un alcaloïde neurotoxique isolé d'Anabaena flos aquae. L'approche développée est basée sur une cycloaddition [2+2] hautement diastéreosélective du dichlorocétène avec un éther d'énol chiral. Le squelette azabicyclique du produit naturel a été construit par une réaction de cyclisation intramoléculaire d'un intermédiaire N-acyl iminium.<br /><br />Dans la déuxième partie, nous avons développé une nouvelle synthèse de la camptothécine, sous sa forme racémique. Cet alcaloïde pentacyclique isolé du Camptotheca acuminata, s'est avéré être un puissant anticancéreux agissant comme inhibiteur de la topoisomérase I. Les étapes-clé de notre approche font intervenir une cycloaddition [3+2] dipolaire, un couplage de Suzuki et d'une cyanosilylation suivie d'une réaction de Pinner intramoléculaire.

La 20(S)-camptothécine (CPT) est un alcaloïde pentacyclique doté d'une activité anticancéreuse remarquable, agissant comme inhibiteur de la topoisomérase I (topo I). Le problème majeur de ce composé (et de la plupart de ses dérivés) est la fragilité de son cycle E qui s'hydrolyse rapidement à pH physiologique pour conduire au carboxylate correspondant inactif. L'une des approches permettant de pallier ce problème d'hydrolyse consiste à modifier le cycle E. Ce travail de thèse porte sur la synthèse totale de deux nouveaux analogues de la CPT modifiés au niveau du cycle E. Chacune de ces synthèses fait appel à une cycloaddition [3+2] afin de préparer l'hydroxypyridone de départ (cycles C et D), à un réarrangement de Claisen permettant de mettre en place le cycle E et à une condensation de Friedländer pour installer le motif quinoléinique (cycles A et B). Le premier analogue synthétisé, la (±) 17 norcamptothécine (17-norCPT), possède une α-hydroxy γ-lactone à la place de l'α-hydroxy δ-lactone de la CPT. Ce composé a été obtenu en neuf étapes avec un rendement de 4,4% à partir de l'hydroxypyridone de départ. Le test d'inhibition de la topo I a été réalisé, mais cette molécule s'est révélée totalement inactive. Cependant, une étude de la cinétique d'hydrolyse de la 17-norCPT, réalisée par spectroscopie de fluorescence, a permis de montrer que cet analogue était très instable en milieu aqueux. Le second composé préparé est en fait un homologue de la 17 norCPT possédant un méthylène entre l'oxygène et le carbonyle de la lactone. Cette molécule, comportant un motif céto éther, est donc un isomère de la CPT. Elle a été obtenue par deux voies de synthèse différant l'une de l'autre par l'ordre des réactions mises en œuvre. Chacune de ces approches permet d'obtenir le composé souhaité en neuf étapes à partir de l'hydroxypyridone de départ, avec un rendement de 16% et 10% respectivement. Les tests biologiques sur le composé final sont actuellement en cours. / 20(S)-Camptothecin (CPT) is a pentacyclic alkaloid endowed with remarkable anticancer activity, acting as an inhibitor of topoisomerase I (topo I). The major problem with this compound (and many of its derivatives) is the fragility of its E-ring, which suffers rapid hydrolysis at physiological pH to yield the inactive corresponding carboxylate. One of the approaches to overcome this problem of hydrolysis consists in modifying the E-ring. This thesis focuses on the total synthesis of two new E-ring modified CPT analogs. Each of the syntheses involves a [3+2] cycloaddition to prepare the starting hydroxypyridone (rings C and D), a Claisen rearrangement to realize the E-ring, and a Friedländer condensation to install the quinoline system (rings A and B). The first analog synthesized, (±) 17 norcamptothecin (17-norCPT), has an α-hydroxy γ-lactone in place of the α-hydroxy δ-lactone of CPT. This compound has been obtained in nine steps with a yield of 4.4% from the starting hydroxypyridone. Unfortunately, though, this molecule has proved to be totally inactive in the topo I assay. A kinetic hydrolysis study of 17-norCPT, carried out by fluorescence spectroscopy, has demonstrated, however, that this analog is, in fact, unstable in aqueous media. The second compound prepared is a homolog of 17-norCPT with a methylene between the lactone oxygen and carbonyl, thus a CPT keto ether isomer. It has been obtained through two synthetic routes that differ from each other in the order of the steps. Each of the approaches yields the desired compound in nine steps from the starting hydroxypyridone, with yields of 16% and 10% for the two syntheses. Biological tests on the final compound are currently underway.

La topoisomérase I (Top1) élimine les surenroulements de l'ADN générés lors de la transcription en produisant transitoirement des complexes de clivage Top1-ADN (Top1cc). Ces Top1cc transitoires peuvent être stabilisés par les camptothécines, dont sont dérivés des agents anticancéreux, et par les fréquentes altérations de l'ADN. Bien que les Top1cc stabilisés soient des lésions qui bloquent efficacement la transcription, la compréhension des processus moléculaires qui résultent du blocage des complexes transcriptionnels par les Top1cc est encore limitée. Des travaux précédents ont montré que les Top1cc stabilisés produisent des cassures double-brin (DSBs) de l'ADN dépendantes de la transcription qui activent ATM. Dans ce projet, nous avons utilisé des cellules quiescentes traitées avec la camptothécine pour induire des Top1cc bloquant la transcription et nous avons étudié les mécanismes de la production et de la signalisation des DSBs. Nous montrons que les DSBs sont produites préférentiellement dans les régions sub-télomériques lors de la réparation des Top1cc bloquant la transcription par les cassures simple-brin de l'ADN générées après la protéolyse de la Top1 et avant l'action de Tdp1. L'analyse de la signalisation de ces DSBs révèle une nouvelle fonction de DNA-PK dans la promotion de l'ubiquitinylation conduisant (i) à l'activité complète d'ATM aux sites des DSBs en favorisant l'ubiquitination d'H2AX et H2A, et (ii) à l'augmentation de la réparation des Top1cc en favorisant la protéolyse de la Top1. Enfin, nous montrons que les DSBs co-transcriptionnelles induisent la mort des cellules quiescentes. L'ensemble de ces résultats apportent un nouvel aperçu des réponses cellulaires aux camptothécines, et suggèrent que les DSBs qui résultent des Top1cc bloquant la transcription puissent contribuer à la pathogénèse du syndrome neurodégénératif SCAN1, qui est causé par une déficience en Tdp1. / Topoisomerase I (Top1) removes DNA supercoiling generated during transcription by producing Top1-DNA cleavage complexes (Top1cc). These transient Top1cc can be stabilized by camptothecins, from which anticancer drugs are derived, and by common DNA alterations. Although stabilized Top1cc are potent transcription-blocking lesions, our understanding regarding the molecular processes resulting from the stalling of transcription complexes by Top1cc is currently limited. Previous work showed that stabilized Top1cc produce transcription-dependent DNA double-strand breaks (DSBs) that activate ATM signalling. In this project, we used camptothecin-treated quiescent cells to induce transcription-blocking Top1cc and study the mechanisms of DSB production and signalling. We show that DSBs form preferentially at subtelomeric regions during the repair of transcription-blocking Top1cc from DNA single-strand breaks generated after Top1 proteolysis and before Tdp1 action. Analysis of DSB signalling reveals a novel function of DNA-PK in promoting protein ubiquitination leading (i) to full ATM activity at DSB sites by promoting H2AX and H2A ubiquitination, and (ii) to enhancement of Top1cc repair by promoting Top1 proteolysis. Finally, we show that co-transcriptional DSBs kill quiescent cells. Together, these findings provide new insights into the cellular responses to camptothecins and further suggest that DSBs arising from transcription-blocking Top1cc may contribute to the pathogenesis of the neurodegenerative SCAN1 syndrome, which is caused by Tdp1 deficiency.