L'interaction protéine-protéine : RhoA

Il y a une accumulation de preuves mettant en évidence la causalité entre l'activité aberrante des petites GTPases de la famille des protéines Rho et des pathologies liées aux cancers, à des troubles neuronaux, et à des maladies pulmonaires et cardiovasculaires. Le ciblage de la protéine Rho, et ses cascades de signalisation, entre ainsi dans de nouvelles et attrayantes stratégies thérapeutiques. Malheureusement, la structure lisse et globulaire des protéines Rho est dépourvue de poches auxquelles les petites molécules peuvent se lier avec une forte affinité, elles sont ainsi considérées comme "non thérapeutiques" selon les approches traditionnelles de conception de médicaments.

Les GTPases de la famille Rho (dont RhoA, Rac et Cdc42) sont des molécules de signalisation intracellulaires omniprésentes. Elles agissent comme des commutateurs binaires et contrôlent de nombreux processus cellulaires fondamentaux allant de l'organisation du cytosquelette à l'expression des gènes, la progression du cycle cellulaire, la motilité et la contraction des cellules. L'activité des protéines Rho résulte d'un équilibre finement régulé entre les états actifs et inactifs de sa forme liée au GTP.

En catalysant l’échange du GDP vers le GTP, les facteurs d’échange nucléotidique de guanine (GEF) sont des régulateurs majeurs de l’activité protéique de Rho qui relaient divers signaux amont provenant de facteurs de croissance, hormones, neuromédiateurs, cytokines ou autres messagers solubles et molécules d’adhérence cellulaire (MAC). Cibler l’interaction des GTPases de Rho avec ses GEF apparaît donc comme une stratégie alternative pour bloquer la signalisation de la protéine Rho, et ainsi contourner le caractère thérapeutique faible traditionnellement attribué à ces GTPases.

Notre projet consiste à développer des petites molécules en tant qu’inhibiteurs spécifiques de l’interaction GEF/GTPase de Rho. Leur conception rationnelle s’appuiera sur les informations mécanistiques et structurales de cette interaction grâce à un large éventail de méthodes de simulation par modélisation moléculaire, ce qui permettra d’améliorer la compréhension du (ou des) site(s) RhoGEF essentiels à l'activation de ces GTPases. Cette stratégie sera d'abord appliquée au couple Arhgef1/RhoA que nous avons récemment identifié comme cible pertinente pour le développement de nouveaux traitements contre l'hypertension et l'athérosclérose.

Notre projet repose sur la collaboration interdisciplinaire constructive de biologistes, info-chimistes et chimistes médicinaux. Ces équipes composant le projet PIRAMID réunissent toutes les compétences et l'expertise nécessaires au succès de notre stratégie. La première étape du projet consiste à identifier de nouveaux ligands ciblant l'interaction Arhgef1 / RhoA. Des outils de modélisation moléculaire de plus en plus complexes seront utilisés sur les complexes GEF / GTPase pour (i) affiner les données cristallographiques aux rayons X disponibles (ii) identifier les résidus d'acides aminés clés impliqués dans les interfaces de liaison (iii) en fournir une description détaillée des paramètres structurels et énergétiques des différents partenaires en interaction (iv) concevoir des ligands originaux ciblant les interfaces correspondantes. Ces objectifs seront atteints grâce à l’utilisation d’approches de modélisation moléculaire successives et complémentaires. Les ligands ainsi identifiés seront achetés ou synthétisés et leur capacité à inhiber l'activité de RhoA sera évaluée par des essais biochimiques / biologiques in vitro pertinents (contraction cellulaire, organisation du cytosquelette, migration, activité de Rac1 et RhoA, évaluation de la spécificité et de l'affinité…). La structure des meilleurs composés sera examinée et modifiée pour optimiser leur affinité et leur pouvoir inhibiteur. Des séries chimiques seront ainsi générées et testées. Les meilleurs candidats seront ensuite évalués dans des modèles murins d’hypertension et d’athérosclérose.

Nous ambitionnons que ce projet aboutisse à la découverte d'inhibiteurs innovants, spécifiques à l’interaction GEF/RhoA, applicables aux thérapies de l'hypertension. Cette approche aura également des retombées importantes dans les efforts de découverte de médicaments ciblant les interactions Rho GEF/Rho GTPase dans d’autres contextes physiopathologiques, notamment les cancers.

Protein-Protein Interaction: RhoA

There is an increasing body of evidence supporting a causal role of aberrant activity of small GTPases of the Rho protein family in human diseases including cancers, neuronal disorders, pulmonary and cardiovascular diseases, thus identifying Rho protein signaling cascades as potential targets for new therapeutic strategies. Unfortunately, because of their smooth and globular structure lacking pockets to which small molecules can bind with high affinity, Rho proteins are considered as "undruggable" by traditional drug design approaches.

Rho GTPases (including RhoA, Rac, Cdc42) are critical ubiquitous intracellular signaling molecules that act as binary switches to control many fundamental cellular processes from cytoskeleton organization to gene expression, cell cycle progression, cell motility and contraction. The activity of Rho proteins results from a tightly regulated balance between the GTP-bound, active state and the GDP-bound, inactive state.

By catalyzing the exchange from GDP to GTP, Rho guanine exchange factors (GEFs) are major regulators of Rho protein activity that relay a variety of upstream signals from growth factors, hormones, neuromediators, cytokines or other soluble messengers and adhesion molecules. Targeting the interaction of Rho GTPase with its GEFs thus appears as an alternative strategy to block Rho protein signaling and circumvent the low druggability of the GTPase.

The aim of our project is to develop Rho GEF/GTPase interaction-specific small-molecule inhibitors. We will use the mechanistic information of Rho GEF/GTPase interaction to conduct a rational design strategy by structure-based molecular modeling simulations using a wide range of methods to get a comprehensive understanding of RhoGEF site(s) essential for Rho GTPase activation. This strategy will be first applied on the Rho GEF/GTPase pair Arhgef1/RhoA that we have recently identified as a relevant target for the development of new therapies against high blood pressure and atherosclerosis.

Our project is based on the constructive interdisciplinary collaboration of biologists, computational and medicinal chemists from the PIRAMID teams that gather all the skills and expertise required for the success of our strategy. The first step of the project is to identify new ligands targeting Arhgef1/RhoA interaction. Molecular modeling tools of increasing levels of complexity will be used on the GEF/GTPase complexes to (i) refine the x-ray crystallographic data available (ii) identify the key amino acid residues involved in the binding interfaces (iii) provide a detailed description of the structural and energetic parameters of the various partners in interaction (iv) design original ligands targeting the corresponding interfaces. These goals will be reached through the use of successive and complementary molecular modeling approaches. Ligands thus identified will be purchased or synthetized and their ability to inhibit RhoA activity will be assessed by relevant biochemical/biological in vitro assays (cell contraction, cytoskeleton organization, migration, Rac1 and RhoA activity, evaluation of specificity and affinity…). Structure of the best compounds will be examined and modified to optimize their affinity and inhibitory potency. Chemical series will be thus generated and tested. Best candidates will be then assessed in mouse models of hypertension and atherosclerosis.

We believe that our project will lead to the discovery of innovative GEF-specific RhoA inhibitors with potential therapeutic applications in hypertension. In addition, our approach may have broad implications for drug discovery efforts targeting Rho GEF/Rho GTPase interactions in other pathophysiological contexts including cancers.

 

 

 

 

 

 

 

 

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