Proteasome inhibitors: recent advances and new perspectives in medicinal chemistry

International audienceThe search for proteasome inhibitors began fifteen years ago. These inhibitors proved to be powerful tools for investigating many important cellular processes regulated by the ubiquitinproteasome pathway. Targeting the proteasome pathway can also lead to new treatments for disorders like cancer, muscular dystrophies, inflammation and immune diseases. This is already true for cancer; the FDA approved bortezomib, a potent proteasome inhibitor, for treating multiple myeloma in 2003, and mantle cell lymphoma in 2006. The chemical structures identified in some of the early proteasome inhibitors have led to the development of new anti-cancer drugs (CEP-18770, Carfilzomib, NPI-0052). All these molecules are covalent bonding inhibitors that react with the catalytic Thr1-O of the three types of active site. This review covers recent developments in medicinal chemistry of natural and synthetic proteasome inhibitors. Advances in non-covalent inhibitors that have no reactive group will be highlighted as they should minimize side-effects. New structures and new modes of action have been recently identified that open the door to new drug candidates for treating a range of diseases

Lipopeptides as dimerization inhibitors of HIV-1 protease

In AIDS therapy, attempts have been made to inhibit the virus-encoded enzymes, e.g, HIV-1 protease, using active site-directed inhibitors. This approach is questionable, however, due to virus mutations and the high toxicity of the drugs, An alternative method to inhibit the dimeric HIV protease is the targeting of the interface region of the protease subunits in order to prevent subunit dimerization and enzyme activity, This approach should be less prone to inactivation by mutation, A list of improved 'dimerization inhibitors' of HIV-1 protease is presented. The main structural features are a short `interface' peptide segment, including non-natural amino acids, and an aliphatic N-terminal blocking group. The high inhibitory power of some of the lipopeptides {[}e.g, palmitoyl-Tyr-Glu-Leu-OH, palmitoyl-Tyr-Glu-(L-thyronine)-OH, palmitoyl-Tyr-Glu-(L-biphenyl-alanine)-OH] with low nanomolar K-i values in the enzyme test suggests that mimetics with good bio-availability can be derived for AIDS therapy

3-Bromophenyl 6-acetoxymethyl-2-oxo-2H-1-benzopyran-3-carboxylate inhibits cancer cell invasion in vitro and tumour growth in vivo

In search for new anticancer agents, we have evaluated the antiinvasive and antimigrative properties of recently developed synthetic coumarin derivatives among which two compounds revealed important activity: 3-chlorophenyl 6-acetoxymethyl-2-oxo-2H-1-benzopyran-3-carboxylate and 3-bromophenyl 6-acetoxymethyl-2-oxo-2H-1-benzopyran-3-carboxylate, Both drugs were able to inhibit cell invasion markedly in a Boyden chamber assay, the bromo derivative being more potent than the reference matrix metalloprotease (MMP) inhibitor GI 129471. In vivo, tumour growth was reduced when nude mice grafted with HT 1080 or MDA-MB231 cells were treated i.p. 3 days week(-1) with the bromo coumarin derivative. These effects were not associated with the inhibition of urokinase, plasmin, MMP-2 or MMP-9. The mechanism of action of the drugs remains to be elucidated. However, these two coumarin derivatives may serve as new lead compounds of an original class of antitumour agents

HIV-1 Protease and Reverse Transcriptase Control the Architecture of Their Nucleocapsid Partner

The HIV-1 nucleocapsid is formed during protease (PR)-directed viral maturation, and is transformed into pre-integration complexes following reverse transcription in the cytoplasm of the infected cell. Here, we report a detailed transmission electron microscopy analysis of the impact of HIV-1 PR and reverse transcriptase (RT) on nucleocapsid plasticity, using in vitro reconstitutions. After binding to nucleic acids, NCp15, a proteolytic intermediate of nucleocapsid protein (NC), was processed at its C-terminus by PR, yielding premature NC (NCp9) followed by mature NC (NCp7), through the consecutive removal of p6 and p1. This allowed NC co-aggregation with its single-stranded nucleic-acid substrate. Examination of these co-aggregates for the ability of RT to catalyse reverse transcription showed an effective synthesis of double-stranded DNA that, remarkably, escaped from the aggregates more efficiently with NCp7 than with NCp9. These data offer a compelling explanation for results from previous virological studies that focused on i) Gag processing leading to nucleocapsid condensation, and ii) the disappearance of NCp7 from the HIV-1 pre-integration complexes. We propose that HIV-1 PR and RT, by controlling the nucleocapsid architecture during the steps of condensation and dismantling, engage in a successive nucleoprotein-remodelling process that spatiotemporally coordinates the pre-integration steps of HIV-1. Finally we suggest that nucleoprotein remodelling mechanisms are common features developed by mobile genetic elements to ensure successful replication

Erratum : Dégradation induite des protéines par des molécules PROTAC et stratégies apparentées : développements à visée thérapeutique

Alors que, pour la plupart, les médicaments actuels sont de petites molécules inhibant l’action d’une protéine en bloquant un site d’interaction, la dégradation ciblée des protéines, découverte il y a une vingtaine d’années via les petites molécules PROTAC, connaît aujourd’hui un très grand développement, aussi bien au niveau universitaire qu’industriel. Cette dégradation ciblée permet de contrôler la concentration intracellulaire d’une protéine spécifique comme peuvent le faire les techniques basées sur les acides nucléiques (oligonucléotides antisens, ARNsi, CRISPR-Cas9). Les molécules PROTAC sont des chimères hétéro-bifonctionnelles capables de lier simultanément une protéine spécifique devant être dégradée et une E3 ubiquitine ligase. Les PROTAC sont donc capables de provoquer l’ubiquitinylation de la protéine ciblée et sa dégradation par le protéasome 26S. De nature peptidique, puis non peptidique, les PROTAC sont maintenant administrables par voie orale. Ce détournement du système ubiquitine protéasome permet aux molécules PROTAC d’élargir considérablement le champ des applications thérapeutiques puisque l’élimination de protéines dépourvues de poches ou de crevasses bien définies, dites difficiles à cibler, devient possible. Cette technologie versatile a conduit à la dégradation d’une grande variété de protéines comme des facteurs de transcription, des sérine/thréonine/tyrosine kinases, des protéines de structure, des protéines cytosoliques, des lecteurs épigénétiques. Certaines ligases telles que VHL, MDM2, cereblon et IAP sont couramment utilisées pour être recrutées par les PROTAC. Actuellement, le nombre de ligases pouvant être utilisées ainsi que la nature des protéines dégradées sont en constante augmentation. Deux PROTAC sont en étude clinique pour les cancers du sein (ARV471) et de la prostate (ARV110). La dégradation spécifique d’une protéine par le protéasome peut aussi être induite par d’autres types de molécules synthétiques : colles moléculaires, marqueurs hydrophobes, HaloPROTAC, homo-PROTAC. D’autres constituants cellulaires sont aussi éligibles à une dégradation induite : ARN-PROTAC pour les protéines se liant à l’ARN et RIBOTAC pour la dégradation de l’ARN lui-même comme celui du SARS-CoV-2. Des dégradations induites en dehors du protéasome sont aussi connues : LYTAC, pour des chimères détournant la dégradation de protéines extracellulaires vers les lysosomes, et MADTAC, pour des chimères détournant la dégradation par macroautophagie. Plusieurs techniques, en particulier des plates-formes de criblage, la modélisation mathématique et la conception computationnelle sont utilisées pour le développement de nouveaux PROTAC efficaces

Le protéasome, la seconde vie d’une cible thérapeutique validée : aspects structuraux et nouveaux inhibiteurs

Le protéasome est la principale machinerie de dégradation des protéines pour toutes les cellules eucaryotes. Il est en effet impliqué dans une multitude de fonctions physiologiques. Ce rôle central dans l’homéostasie des protéines en fait une cible attractive pour des interventions thérapeutiques variées, des aberrations ayant été observées dans beaucoup de pathologies humaines. Le protéasome constitutif 26S (2,4 MDa) est formé de la particule catalytique 20S qui peut s’associer à une ou deux particules régulatrices 19S. Des analyses structurales remarquables ont permis de comprendre le fonctionnement de ce complexe multicatalytique et la régulation de la dégradation des protéines dépendant de l’ATP et de l’ubiquitine. Des changements conformationnels coordonnés de la particule régulatrice 19S permettent de coupler l’hydrolyse de l’ATP à la translocation du substrat protéique et de réguler l’ouverture du pore de la particule catalytique afin d’initier la dégradation itérative des protéines par les trois types de sites actifs. Une très grande variété d’inhibiteurs de ces activités a été découverte, qu’ils soient synthétiques ou d’origine naturelle, avec un premier succès en 2003 avec le bortezomib utilisé dans le traitement du myélome multiple, puis du lymphome du manteau. Une seconde génération d’inhibiteurs (carfilzomib et ixazomib) est employée en clinique. L’immunoprotéasome, distinct du protéasome constitutif et exprimé de manière prédominante dans les cellules immunitaires, se substitue au protéasome constitutif après induction par l’INF-γ et le TNF-α. Il devient actuellement une cible thérapeutique majeure pour traiter des cancers, des désordres auto-immuns et des troubles neurologiques à l’aide d’inhibiteurs spécifiques. Les protéasomes de certains microorganismes retiennent également l’attention en vue du développement d’inhibiteurs à visée thérapeutique. Enfin, l’activation du protéasome est une nouvelle approche pouvant aboutir au traitement des désordres protéotoxiques comme les neurodégénérescences

Les inhibiteurs d’élastases

L’élastase leucocytaire NE, localisée dans les granules azurophiles des polynucléaires neutrophiles, est impliquée dans la phagocytose. Dans les conditions physiologiques normales, elle est contrôlée majoritairement dans le plasma par l’inhibiteur macromoléculaire α1-PI (anciennement appelé α1-antitrypsine). Dans certaines conditions pathologiques, un déséquilibre d’origine génétique ou fonctionnelle (oxydation par la fumée de cigarette par exemple) peut être à l’origine d’un excès d’élastase non contrôlé qui dégrade des constituants architecturaux essentiels de la matrice extracellulaire. Ainsi, l’élastase est impliquée dans la pathogenèse de l’emphysème pulmonaire. Son intervention est certaine dans d’autres processus inflammatoires. Le développement d'inhibiteurs synthétiques de faible poids moléculaire, spécifiques de cette enzyme et présentant une bonne biodisponibilité, est un domaine actif de la recherche académique et de la recherche pharmaceutique