La MAPK p38α est une protéine clé de l’inflammation, également impliquée dans de nombreux processus liés au cancer. Les petites molécules chimiques inhibitrices de p38α bloquent son activité kinase par un mécanisme de compétition à l’ATP. En raison de la grande conservation du domaine kinase, la spécificité de la majorité de ces inhibiteurs n’est pas restreinte à la p38α et des effets « off-targets » ont été rapportés. Dans ce contexte, le projet de ma thèse a porté sur l’utilisation de fragments d’anticorps au format scFv comme nouvel outil de ciblage pharmacologique afin de définir une/des voie(s) alternative(s) d’inhibition de la p38α. Les fragments d’anticorps lient un motif antigénique avec une affinité et une spécificité élevées, tout comme les immunoglobulines classiques. Leur expression intracellulaire permet également le ciblage de protéines cytoplasmiques et l’étude de leurs fonctions dans des processus physiologiques et pathologiques. Nous avons sélectionné par phage display, à partir d’une banque de fragments d’anticorps, 5 scFv spécifiques de la MAPK p38α. Alors que tous ces scFv empêchent l’activation par phosphorylation de la p38α par MKK6, l’un d’entre eux agit directement sur l’enzyme pour inhiber totalement son activité kinase in vitro. Ce scFv possède un site de liaison et un mécanisme d’inhibition distincts des inhibiteurs pharmacologiques déjà décrits : bien qu’il ne cible pas le domaine kinase et n’empêche pas la fixation de l’ATP, le scFv se comporte comme un inhibiteur compétitif de l’hydrolyse de l’ATP. Ces résultats suggèrent un effet allostérique du scFv sur l’activité de la p38α et permettent de le caractériser comme un inhibiteur compétitif non conventionnel. La détermination de son épitope d‘interaction ainsi que la confirmation de sa fonctionnalité une fois exprimé dans le cytosol des cellules nous permettra de définir une voie alternative d'inhibition de la p38α et de valider notre approche de ciblage par l’utilisation de fragments d’anticorps.Ces données ouvrent de nouvelles perspectives de design d’inhibiteurs chimiques de la p38α de meilleure spécificité que ceux actuellement disponibles. / MAPK p38α is a key protein in inflammation, but is also involved in many cancer-related processes. All the currently described chemical inhibitors of p38α inhibit its kinase activity by an ATP-competitive mechanism. Because of the high conservation of the ATP-binding pocket, the majority of these inhibitors are not specific to p38α and off-target effects have been reported. To identify alternative approaches to inhibit p38α MAPK, my thesis project focused on the use of scFv antibody fragments as a new highly specific pharmacological tool.Antibody fragments bind to an antigen with high affinity and specificity like conventional immunoglobulins. Their intracellular expression also allows to target cytoplasmic proteins and study the target functions in physiological and pathological processes. Using a naïve library of antibody fragments, we have selected by phage display five scFv specific of MAPK p38α isoform. While all these scFv inhibit the activation of p38α by MMK6, one of them also completely inhibits its kinase activity in vitro. This scFv has a binding site and a mechanism of inhibition distinct from the pharmacological inhibitors currently described: although it does not target the ATP-binding pocket and does not prevent ATP binding, it behaves like a competitive inhibitor of ATP hydrolysis. These results suggest an allosteric effect of this scFv on p38α activity and allow to characterize it as an unconventional competitive inhibitor. The determination of its epitope as well as the confirmation of its inhibitory activity once expressed in the cell cytosol will allow us to propose an alternative approach to target p38α function using antibody fragments.These data open up new perspectives for the design of more specific p38α chemical inhibitors than those currently available.

Afin de pallier l'apparition de souches pathogènes résistantes, de nouveaux traitements aux mécanismes d'action inédits doivent être découverts. Une de ces cibles d'intérêt grandissant est la synthèse de la structure coiffe chez les ARN messagers (ARNm) eucaryotes. Cette structure est l'une des modifications co-transcriptionnelles essentielles pour augmenter la demi-vie des ARNm, promouvoir leur export du noyau vers le cytoplasme et augmenter l'efficacité de leur traduction en protéines. La synthèse de la structure coiffe (m [indice supérieur 7] GpppARN) résulte de trois activités enzymatiques séquentielles qui ajoutent la structure m[indice supérieur 7] Gppp. Initialement, une ARN triphosphatase (RTase) hydrolyse le phosphate gamma de l'ARN. Une ARN guanylyltransférase (GTase) transfert ensuite sur cet ARN un groupement GMP à partir d'un GTP. Finalement, une ARN guanine-N7 méthyltransférase (N7-MTase) vient méthyler cette guanine en position N7. L'activité enzymatique de la GTase est déterminante pour la synthèse de la structure coiffe, ce qui en fait une cible potentiellement puissante afin d'inhiber la synthèse de la structure coiffe. Certaines études ont identifié des analogues de substrat et de produit, la ribavirine et le foscarnet respectivement, comme inhibiteur de GTase. Ces produits agissent sur les différentes GTases puisqu'elles possèdent un site actif très conservés au niveau de la coordination du substrat. Pour augmenter la spécificité des inhibiteurs, il serait avantageux d'identifier des composés ciblant les régions non conservées. Dans la présente étude, la technique du criblage virtuel a permis d'analyser le potentiel d'interaction des molécules à 80 % similaires au substrat naturel avec plusieurs structures de GTases. Parmi les interactions prédites identifiées par le criblage virtuel, une de ces molécules suscitait un intérêt particulier, puisqu'il s'agissait d'un composé utilisé chez l'humain en tant qu'antiviral et immunosuppresseur, l'acide mycophénolique (MPA). L'hypothèse initiale était que ce composé pouvait potentiellement interférer dans l'activité enzymatique des GTases. Pour valider cette prédiction, des essais biochimiques ciblant la réaction complète et les étapes intermédiaires de la GTase de la levure Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae ) ont été utilisées pour définir l'effet du MPA sur la cinétique de cette GTase. En effet, la réaction de GTase se déroule en deux temps : premièrement, une molécule de GTP est hydrolysée par l'enzyme pour former du GMP, lequel est lié de façon covalente à l'enzyme, et deuxièmement, cette molécule de GMP est transférée sur un ARN diphosphorylé. Ces essais ont confirmé l'interaction prédite par le criblage virtuel. En utilisant cette approche, nous démontrons que le MPA peut inhiber la réaction de GTase en prévenant le transfert catalytique du nucléotide GMP sur l'ARNm accepteur. En ce sens, le MPA représente un nouveau type d'inhibiteur d'ARN guanylyltransférase qui inhibe la deuxième étape de l'activité catalytique. Puisque les résultats laissaient présager une inhibition non compétitive, il fallait confirmer que le MPA n'était pas reconnu par l'enzyme comme substrat. Pour ce faire, la technique de l'électrophorèse par capillarité a montré que l'inhibiteur ne formait pas de lien covalent avec l'enzyme. De plus, nous démontrons qu'une culture de Saccharomyces cerevisiae qui croit en présence de MPA dénote une quantité moindre d'ARNm possédant une coiffe. Finalement, des essais biochimiques démontrent que le composé peut également inhiber des enzymes de la même famille que les GTases utilisant des substrats différents : les ligases à ADN. Le MPA inhibe la deuxième étape de la réaction enzymatique d'une ligase, soit le transfert du nucléotide sur l'oligonucléotide. Ce mémoire vise donc à présenter un aperçu du mécanisme d'inhibition de l'ARN guanylyltransférase par un composé allostérique. Nous montrons qu'il est possible de réduire la synthèse de la structure coiffe en affectant les changements conformationnels de cette enzyme.

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.