Optimal anchoring of a foldamer inhibitor of ASF1 histone chaperone through backbone plasticity

Sequence-specific oligomers with predictable folding patterns, i.e., foldamers, provide new opportunities to mimic.-helical peptides and design inhibitors of protein-protein interactions. One major hurdle of this strategy is to retain the correct orientation of key side chains involved in protein surface recognition. Here, we show that the structural plasticity of a foldamer backbone may notably contribute to the required spatial adjustment for optimal interaction with the protein surface. By using oligoureas as. helix mimics, we designed a foldamer/peptide hybrid inhibitor of histone chaperone ASF1, a key regulator of chromatin dynamics. The crystal structure of its complex with ASF1 reveals a notable plasticity of the urea backbone, which adapts to the ASF1 surface to maintain the same binding interface. One additional benefit of generating ASF1 ligands with nonpeptide oligourea segments is the resistance to proteolysis in human plasma, which was highly improved compared to the cognate alpha-helical peptide

Reconnaissance de surfaces de protéines avec des foldamères à base d’urées : application au design de ligands ciblant une protéine chaperon d’histone

In 2015, 8.8 million of death were due to cancer making it an important cause of death in the world. The necessity to develop new anticancer treatments led to the search and discovery of new biological targets, such as Asf1, a histone chaperone protein of H3-H4 which is overexpressed in cancer cells, in particular in breast cancer. This protein plays a role in different biological processes in cells through protein-protein interactions (PPIs). During this thesis, we developed an original strategy to design inhibitors of PPIs with urea-based peptidomimetics. These foldamers are able to fold into stable 2.5-helix reminiscent to the natural α-helix. Designed urea-based foldamers have been synthesized as hybrid oligomers consisting of α-peptide and oligourea segments. With a combination of the two backbones, these compounds named “chimeras” presents advantages of both species with the natural recognition of α-peptides and the innate helical stability of oligourea. First, a model study was performed to evaluate the impact of the introduction of short urea segments into a long water-soluble peptide. Circular dichroism experiments confirmed that the helical conformation was conserved. New series of compounds that mimic a helical part of H3 were synthesized and their interaction with Asf1 was studied in solution and in solid state using a range of biophysical methods. Several modifications into the sequence were performed (side chain substitution, size of the urea segment or compound) in order to improve the recognition of Asf1 surface as well as their selectivity. We conceived oligourea-peptide chimeras with affinity for Asf1 in the micromolar range. Our best compound linked to a cell penetrating peptide was shown to enter into cells and to induce cell death.Avec 8,8 millions de décès dénombrés en 2015, le cancer est l’une des plus grandes causes de mortalité dans le monde. De nouvelles stratégies thérapeutiques ont émergé et l’identification de nouvelles cibles biologiques comme notamment la protéine Asf1, un chaperon d’histone H3-H4 surexprimée dans les cellules cancéreuses et en particulier le cancer du sein. Cette protéine possède différentes fonctions dans la cellule et agit à plusieurs endroits par des interactions protéine-protéines. Au cours de cette thèse de doctorat, nous avons développé une stratégie originale de design d’inhibiteurs d’interactions protéine-protéine avec des foldamères peptidomimes à base d’urées. Ces foldamères ont 1) la capacité de se replier en hélice 2,5, rappelant les hélices α des peptides et 2) d’être hautement tolérés et initiateurs d’hélicité lorsqu’ils sont conjugués à des fragments peptidiques. Nous avons développé des oligomères mixtes comprenant une alternance de segment(s) peptidique(s) et multi-urée, appelées chimères, ayant l’avantage de combiner la reconnaissance naturelle de peptides et la forte propension des oligourées à former des hélices stables. Après une étude structurale montrant qu’avec l’insertion d’un court segment à base d’urées dans un peptide hydrosoluble adoptant une conformation en hélice la conformation hélicoïdale pour une majorité des chimères est conservée, des composés mimant la partie hélicoïdale C-terminale de l’histone H3 ont été élaborés. Une interaction de l’ordre du micromolaire avec Asf1 a été observée en solution puis validée à l’état solide par cristallographie aux rayons X. En vue d’optimiser la reconnaissance de ces chimères avec la surface d’Asf1 et leur sélectivité, un panel de modifications a été réalisée (i.e. séquence primaire, longueur du segment urée). Nous avons ainsi conçu des chimères α/urée possédant des affinités de liaison pour Asf1 comprises entre le nano- et micromolaire. Le composé le plus prometteur a été internalisé avec succès dans des cellules cancéreuses après conjugaison bioreductible avec un peptide vecteur et pourrait conduire à la mort cellulaire de la lignée tumorale étudiée

Protein Surface Recognition with Urea-based foldamers : application to the design of ligands targeting histone chaperone proteins

Avec 8,8 millions de décès dénombrés en 2015, le cancer est l’une des plus grandes causes de mortalité dans le monde. De nouvelles stratégies thérapeutiques ont émergé et l’identification de nouvelles cibles biologiques comme notamment la protéine Asf1, un chaperon d’histone H3-H4 surexprimée dans les cellules cancéreuses et en particulier le cancer du sein. Cette protéine possède différentes fonctions dans la cellule et agit à plusieurs endroits par des interactions protéine-protéines. Au cours de cette thèse de doctorat, nous avons développé une stratégie originale de design d’inhibiteurs d’interactions protéine-protéine avec des foldamères peptidomimes à base d’urées. Ces foldamères ont 1) la capacité de se replier en hélice 2,5, rappelant les hélices α des peptides et 2) d’être hautement tolérés et initiateurs d’hélicité lorsqu’ils sont conjugués à des fragments peptidiques. Nous avons développé des oligomères mixtes comprenant une alternance de segment(s) peptidique(s) et multi-urée, appelées chimères, ayant l’avantage de combiner la reconnaissance naturelle de peptides et la forte propension des oligourées à former des hélices stables. Après une étude structurale montrant qu’avec l’insertion d’un court segment à base d’urées dans un peptide hydrosoluble adoptant une conformation en hélice la conformation hélicoïdale pour une majorité des chimères est conservée, des composés mimant la partie hélicoïdale C-terminale de l’histone H3 ont été élaborés. Une interaction de l’ordre du micromolaire avec Asf1 a été observée en solution puis validée à l’état solide par cristallographie aux rayons X. En vue d’optimiser la reconnaissance de ces chimères avec la surface d’Asf1 et leur sélectivité, un panel de modifications a été réalisée (i.e. séquence primaire, longueur du segment urée). Nous avons ainsi conçu des chimères α/urée possédant des affinités de liaison pour Asf1 comprises entre le nano- et micromolaire. Le composé le plus prometteur a été internalisé avec succès dans des cellules cancéreuses après conjugaison bioreductible avec un peptide vecteur et pourrait conduire à la mort cellulaire de la lignée tumorale étudiée.In 2015, 8.8 million of death were due to cancer making it an important cause of death in the world. The necessity to develop new anticancer treatments led to the search and discovery of new biological targets, such as Asf1, a histone chaperone protein of H3-H4 which is overexpressed in cancer cells, in particular in breast cancer. This protein plays a role in different biological processes in cells through protein-protein interactions (PPIs). During this thesis, we developed an original strategy to design inhibitors of PPIs with urea-based peptidomimetics. These foldamers are able to fold into stable 2.5-helix reminiscent to the natural α-helix. Designed urea-based foldamers have been synthesized as hybrid oligomers consisting of α-peptide and oligourea segments. With a combination of the two backbones, these compounds named “chimeras” presents advantages of both species with the natural recognition of α-peptides and the innate helical stability of oligourea. First, a model study was performed to evaluate the impact of the introduction of short urea segments into a long water-soluble peptide. Circular dichroism experiments confirmed that the helical conformation was conserved. New series of compounds that mimic a helical part of H3 were synthesized and their interaction with Asf1 was studied in solution and in solid state using a range of biophysical methods. Several modifications into the sequence were performed (side chain substitution, size of the urea segment or compound) in order to improve the recognition of Asf1 surface as well as their selectivity. We conceived oligourea-peptide chimeras with affinity for Asf1 in the micromolar range. Our best compound linked to a cell penetrating peptide was shown to enter into cells and to induce cell death

Unexpected binding modes of inhibitors to the histone chaperone ASF1 revealed by a foldamer scanning approach

International audienceWe used foldamer inserts to scan the sequence of a peptide ligand of the histone chaperone ASF1, and interrogate its interaction with the protein surface. Our results revealed the structural plasticity of the chimeras and new binding modes to ASF1

Optimal Anchoring of a Urea-based Foldamer Inhibitor of ASF1 Histone Chaperone Through Backbone Plasticity

Sequence-specific oligomers with predictable folding patterns, i.e. foldamers provide new opportunities to mimic α-helical peptides and design inhibitors of protein-protein interactions. One major hurdle of this strategy is to retain the correct orientation of key side chains involved in protein surface recognition. Here, we show that the structural plasticity of a foldamer backbone may significantly contribute to the required spatial adjustment for optimal interaction with the protein surface. By using oligoureas as α-helix mimics, we designed a foldamer/peptide hybrid inhibitor of histone chaperone ASF1, a key regulator of chromatin dynamics. The crystal structure of its complex with ASF1 reveals a striking plasticity of the urea backbone, which adapts to the ASF1 surface to maintain the same binding interface. One additional benefit of generating ASF1 ligands with non-peptide oligourea segments is the resistance to proteolysis in human plasma which was highly improved compared to the cognate α-helical peptide. </p

Optimal Anchoring of a Urea-based Foldamer Inhibitor of ASF1 Histone Chaperone Through Backbone Plasticity

Sequence-specific oligomers with predictable folding patterns, i.e. foldamers provide new opportunities to mimic α-helical peptides and design inhibitors of protein-protein interactions. One major hurdle of this strategy is to retain the correct orientation of key side chains involved in protein surface recognition. Here, we show that the structural plasticity of a foldamer backbone may significantly contribute to the required spatial adjustment for optimal interaction with the protein surface. By using oligoureas as α-helix mimics, we designed a foldamer/peptide hybrid inhibitor of histone chaperone ASF1, a key regulator of chromatin dynamics. The crystal structure of its complex with ASF1 reveals a striking plasticity of the urea backbone, which adapts to the ASF1 surface to maintain the same binding interface. One additional benefit of generating ASF1 ligands with non-peptide oligourea segments is the resistance to proteolysis in human plasma which was highly improved compared to the cognate α-helical peptide. </p