Toxoplasma gondii : identification by inverse docking on the molecular targets of active compounds derived from natural products

Abstract

Les écorces d’arbres, co-produit de la sylviculture, constituent une source abondante et durable de substances naturelles. Toxoplasma gondii est le parasite responsable de la toxoplasmose, présentant une menace chez les fœtus, les nouveau-nés et les personnes immunodéprimées. Les thérapies actuelles, limitées et mal tolérées, font désormais face à des phénomènes de chimiorésistance. Ce travail de thèse a pour but d’explorer l’espace chimique associé aux écorces d’essences champardennaises, et les cibles protéiques essentielles à T. gondii. Une première évaluation in silico par docking inverse (AMIDEv2.0) a été réalisée afin d’identifier la cible biologique de triterpènes dérivés de la bétulone, isolés de l’Aulne glutineux ayant montré une activité anti-toxoplasmose in vitro. La CDPK3 a été identifiée comme étant la cible la plus probable parmi 87 protéines de T. gondii. Puis, une protéothèque de 25 structures protéiques 3D essentielles à la survie du parasite, 19 ayant été modélisées par homologie, a été constituée. Les composés de la Chimiothèque Nationale Essentielle ont été évalués ensuite sur cette protéothèque en utilisant AMIDEv2.0. Deux protéines ont été identifiées comme de potentielles cibles, dont ATG3, une structure reconstruite à partir d'homologues avec un pourcentage d'identité inférieur à 50%. Deuxièmement, les écorces du Mélèze d'Europe, dont l’extrait n-heptane avait démontré une activité significative (58 % d’inhibition de croissance parasitaire à 100 µg/ml), ont été soumises à un profilage chimique impliquant un fractionnement par Chromatographie de Partage Centrifuge et de déréplication combinant les données issues de la résonance magnétique nucléaire et de la spectrométrie de masse. Les outils VersaDB et CATHEDRAL ont été développés pour faciliter la création de bases de données modulables et l’évaluation du niveau de confiance des annotations. 52 molécules ont ainsi pu être annotées et associées à un score de confiance. En parallèle, des tests in vitro ont démontré que 2 des 12 fractions CPC, majoritairement composées de terpènes, inhibaient à plus de 40% la survie du parasite à 25 µg/ml. Les composés annotés chez L. decidua ont été soumis à AMIDEv2.0. Le croisement des résultats in vitro et in silico, reposant sur le calcul d'un score d'activité biologique, a mis en évidence l'acide 7-oxo-déhydroabiétique et l'acide daniellique, fortement corrélés à l'activité inhibitrice in vitro des écorces. La CDPK1 et la protéine SET containing Protein ont été identifiées comme leurs cibles protéiques probables, fournissant ainsi de premières informations sur leurs mécanismes d'action. Ces deux hits font actuellement l’objet d’une évaluation in vitro afin d’attester l’efficacité de la démarche développée au cours de ces travaux de thèse.Tree barks, by-product of forestry industry, constitute an abundant and sustainable source of natural compounds. Toxoplasma gondii is the parasite responsible for toxoplasmosis, posing a threat to fetuses, newborns, and immunocompromised individuals. The current therapeutics, limited and poorly tolerated, are now confronted to chemoresistant phenomena. This doctoral project aims to explore the chemical space associated with tree barks from the Champagne-Ardenne region, as relevant protein targets to fight T. gondii. An initial in silico evaluation using reverse docking (AMIDEv2.0) was carried out to identify biological target for triterpenes derived from betulone, isolated from the European alder, which had exhibited in vitro anti-toxoplasmosis activity. Among 87 proteins of T. gondii, CDPK3 was identified as the most probable target. Subsequently, a bank of 25 essential 3D protein structures for parasite survival, including 19 homology-modeled structures, was compiled. Thereafter, compounds from the Essential National Chemical Library were screened against this protein bank, using AMIDEv2.0. Two proteins were identified as potential targets; one of them was ATG3, a protein structure modeled from homologs with less than 50% identity. Subsequently, the barks of European Larch, whose n-heptane extract had shown significant activity (58% inhibition of parasitic growth at 100 µg/ml), were subjected to a chemical profiling. First, through a fractionation process using Centrifugal Partition Chromatography, and then a dereplication approach combining data from nuclear magnetic resonance and mass spectrometry. Tools like VersaDB and CATHEDRAL were developed to facilitate the creation of custom-databases and assess the confidence level of annotations. 52 molecules were annotated and associated with a confidence score. Simultaneously, in vitro tests demonstrated that 2 out of the 12 CPC fractions, primarily composed of terpenic derivatives, inhibited the parasite's survival by more than 40% at 25 µg/ml. Ultimately, the annotated compounds from L. decidua were subjected to AMIDEv2.0. The overlap between in vitro and in silico results highlighted 7-oxo-dehydroabietic acid and daniellic acid, strongly correlated with the in vitro inhibitory activity of the barks. CDPK1 and the SET-containing Protein are likely protein targets for these two ligands, thereby providing initial insights into their mechanism of action. These two hits are currently undergoing in vitro evaluation to verify the efficiency of developed approach during this doctoral project