Total synthesis of SUMO-2/3 dimers

Abstract

Les progrès du génie génétique ont permis l’expression d’un nombre considérable de protéines dans des cellules pour étudier les mécanismes du vivant, développer des approches thérapeutiques et de biotechnologie. Ces protéines, dites recombinantes, présentent certaines limitations associées à leur mode de production, notamment dans le choix des acides aminés de la séquence qui est limité aux vingt acides aminés naturellement codés par le génome. Une autre limitation de ces méthodes est la difficulté d’incorporer des acides aminés porteurs de modifications post-traductionnelles (MPT). Ces limitations ont motivé les chimistes organiciens à développer de nouvelles méthodologies de synthèse afin d’accéder à ces macromolécules d’intérêt biologique. Si la synthèse chimique s’est clairement imposée depuis quelques années comme une alternative crédible à l’utilisation de méthodes biologiques pour la synthèse de protéines, la synthèse chimique de protéines de grande taille (au-delà de 100 acides aminés) reste un véritable défi.SUMO est une MPT apparentée à l’ubiquitine constituée d’environ 90 acides aminés. Cinq isoformes différentes de SUMO ont été identifiées à ce jour chez l’Homme. Parmi celles-ci, SUMO-2 et SUMO-3 sont exprimées par tous les types cellulaires et similaires à 97% au niveau de leur séquence. L’objectif de ce projet de thèse a été d’étudier la conformation et les propriétés biochimiques de conjugués SUMO-2 et SUMO-3, ainsi que de réaliser la synthèse totale des différentes combinaisons de dimères SUMO-2 / SUMO-3. La taille de ces constructions moléculaires se situe à la limite haute des protéines pouvant être produite par synthèse chimique. Pour atteindre ces objectifs, nous avons développé des stratégies de synthèse performantes en one-pot et des réactions de désulfurisation sélectives permettant d’accéder aux protéines cibles à l’échelle du milligramme.Nous montrons au cours de ses recherches que les protéines SUMO-2 et SUMO-3 ont des propriétés structurelles et biochimiques spécifiques, et ne doivent pas être considérées comme redondantes. Nous décrivons également pour la première fois la synthèse totale de dimères SUMO-2/3. Ce travail devrait aider à mieux comprendre le rôle spécifique des modifications SUMO-2 et/ou SUMO-3 sur la structure et la fonction des protéines qui sont la cible de ces MPT.Advances in genetic engineering enabled the expression of a huge number of proteins in cells to study biological mechanisms and to develop novel therapeutic and biotechnological approaches. Nevertheless, recombinant strategy of protein production has inherent limitations. In particular, the sequence composition is usually limited to the twenty naturally encoded amino acids.Moreover, the incorporation of amino acids carrying post-translational modifications (PTM) appears difficult. This second limitation motivated organic chemists to develop new synthetic methodologies to access biologically relevant macromolecules. Although chemical synthesis clearly emerged in recent years as a useful alternative to biological methods, the chemical synthesis of large proteins (beyond 100 amino acids) remains a real challenge.SUMO is an ubiquitin-like PTM consisting of approximately 90 amino acids. Five different SUMO isoforms have been identified in humans so far. Among them SUMO-2 and SUMO-3 are expressed by all cell types and are 97% similar in sequence. The aim of this thesis was to study the conformation and the biochemical properties of SUMO-2 and SUMO-3 conjugates. The total synthesis of the different combinations of SUMO-2 / SUMO-3 dimers was also carried out. The size of these molecules coincides with the upper limit of the proteins that can be produced by chemical synthesis. Considering this, we developed powerful one-pot synthetic strategies and selective desulfurization reactions to access the target proteins on a milligram scale.During this research, we show that the SUMO-2 and SUMO-3 proteins have specific structural and biochemical properties and should not be considered redundant. We also described the first total synthesis of SUMO-2/3 dimers. This work will help to better understand the specific role of SUMO-2 and/or SUMO-3 modifications on the structure and function of the SUMOylated proteins