Innovative chemical and chemoenzymatic synthesis of antigenic oligosaccharides towards vaccination against bacillary dysentery

Abstract

Reflet d'un enjeu sanitaire important, les bactéries entéroinvasives Gram négatif de l'espèce Shigella flexneri représentent des cibles prioritaires dans le développement d'un vaccin diarrhéique. Cibles privilégiées de la protection contre la réinfection, les polysaccharides de surface - antigènes-O (Ags-O) - d'une grande majorité de S. flexneri dérivent d'un même squelette. Celui-ci est défini par une unité répétitive constituée de trois résidus L-rhamnose et un résidu N-acétyl-D-glucosamine (ABCD), liés en 1,2-trans. Les multiples patterns d'O-acétylation et/ou alpha-D-glucosylation régiospécifique de ce tétrasaccharide illustrent la diversité sérotypique. La synthèse de glycobriques modulables, aisées à combiner en un ensemble d'oligosaccharides biologiquement actifs représentatifs des Ags-O d'intérêt, est le fondement d'une stratégie visant le développement d'un vaccin conjugué dérivé de sucres de synthèse à large couverture contre Shigella. A cette fin, ces travaux explorent un concept original portant sur l'implémentation d'une voie de synthèse divergente pour accéder à un ensemble de glycobriques pré-sélectionnées. Cette stratégie met en oeuvre une étape d'alpha-D-glucosylation enzymatique, stéréo- et régiospécifique, de deux accepteurs de type ABCD, les tétrasaccharides ABC'D' et D'ABC'. Protégés a minima, ces accepteurs ont été conçus pour être (i) compatibles avec l'activité de glucanesucrases de la famille 70 des Glycosides Hydrolases, (ii) aisément accessibles et (iii) oligomérisables à leurs deux extrémités. Diverses stratégies de synthèse convergente exploitant les propriétés d'orthogonalité fine entre groupes protecteurs et la combinaison de deux blocs ABC et D, ont été évaluées. Les synthèses les plus prometteuses ont été optimisées et soumises à une montée en échelle visant à produire les cibles ABC'D' et/ou D'ABC'. La possible conversion de l'accepteur ABC'D' en différents produits d'alpha-D-glucosylation via l'action de glucanesucrases a été démontrée par nos collaborateurs du TBI (anciennement LISBP, Toulouse). Les données structurales ont révélé que certains pentasaccharides présentent les motifs caractéristiques d'Ags-O de S. flexneri. Nos résultats illustrent la synergie possible entre synthèse chimique et synthèse enzymatique dans le contexte Shigella, offrant de nouvelles options quant à l'obtention d'oligosaccharides de S. flexneri à visée vaccinale.Gram-negative bacteria from the Shigella flexneri species are a leading cause of diarrheal diseases in children under five in developing countries and prime targets for vaccine development. Most S. flexneri serotypes of concern exhibit closely related surface polysaccharides - O-antigens (O-Ags) - that are a main target of protection against reinfection. Their O-Ag backbones have in common a unique repeating unit made of three L-rhamnose and a N-acetyl-D-glucosamine residues (ABCD), 1,2-trans linked to one another. Structural diversity reflecting serotype specificity comprises site-selective O-acetylation and alpha-D-glucosylation. The synthesis of fine-tuned glycobricks, easy-to-assemble into biologically active oligosaccharides mimicking the O-Ag from selected serotypes, is the keystone of ongoing development to a broad coverage synthetic carbohydrate-based Shigella vaccine. Toward this aim, this work explores an original concept consisting in the regio- and stereospecific enzymatic alpha-D-glucosylation of two lightly protected ABCD-like tetrasaccharide acceptors, ABC'D' and D'ABC'. Suitable tetrasaccharides, masked at three positions, were designed to fulfill: (i) compatibility with the binding site topology of branching sucrases from the Glycoside Hydrolase family 70, (ii) easy access, and (iii) possible chemical elongation at either end post alpha-D-glucosylation. Highly convergent chemical strategies to the selected non-natural ABC'D' and D'ABC' tetrasaccharides were explored stemming from the combination of two versatile ABC and D building blocks and fine-tuning of orthogonal protecting groups. The most promising syntheses have been optimized and scaled up to achieve multigram amounts of the two acceptors of enzymatic glucosylation. The feasibility of the glucansucrase-mediated conversion of ABC'D' into several alpha-D-glucosylated products was demonstrated by our collaborators at TBI (previously LISBP, Toulouse). Structural characterization revealed that some of the isolated pentasaccharides featured the essential O-Ag type-specificity. Besides illustrating the possible synergy between chemical and enzymatic synthesis in the context of Shigella, our results broaden opportunities for the synthesis of S. flexneri oligosaccharides of interest for use in vaccine elaboration