Conception de nouvelles molécules à activité sérotoninergique par des méthodes QSAR et des études de dynamique moléculaire de complexe ligands /récepteur Christophe Marot To cite this version: Christophe Marot. Conception de nouvelles molécules à activité sérotoninergique par des méthodes QSAR et des études de dynamique moléculaire de complexe ligands /récepteur. Autre. Université d’Orléans, 1995. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00148822￿ HAL Id: tel-00148822 https://theses.hal.science/tel-00148822 Submitted on 23 May 2007 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. THESE PRESENTEE A L’UNIVERSITE D' ORLEANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L'UNIVERSITE D'ORLEANS Discipline : Chimie et Physicochimie des Composés d'Intérêt Biologique PAR Christophe MAROT Conception de Nouvelles Molécules à Activité Sérotoninergique par des Méthodes QSAR et des Etudes de Dynamique Moléculaire de Complexes Ligand/Récepteur. SOUTENUE PUBLIQUEMENT LE 29 Novembre 1995 à 15 heures - Salle Charles Sadron du CNRS. MEMBRES DU JURY Président D. LESIEUR (Professeur, Faculté de pharmacie de Lille) Rapporteurs G. GRASSY (Professeur, UMR CNRS 9955-INSERM U414, Université de Montpellier) S. PEREZ (Directeur de Recherche, INRA de Nantes) Examinateurs M. GENEST (Chargé de Recherche, CBM, CNRS Orléans) G. GUILLAUMET (Professeur, ICOA URA CNRS 499, Université d'Orléans) L. MORIN-ALLORY (Professeur, ICOA URA CNRS 499, Université d'Orléans) Désireux de mettre au point de nouvelles substances pouvant présenter une activité biologique potentielle au niveau du Système Nerveux Central, nous avons envisagé d’étudier les Relations Quantitatives Structure-Activité (QSAR) sur plusieurs familles de composés 5-HT . L’objectif était de prédire l’activité et la sélectivité biologique de 1A nouveaux ligands 5-HT vis-à-vis de certains neurorécepteurs transmembranaires (5-HT , a , a , D ). Pour ce faire, 1A 1A 1 2 2 382 composés issus de différentes familles chimiques (indole, tétraline, chromane, thiochromane, pipérazine, etc...) ont été modélisés et superposés aux pharmacophores 5-HT . Nous avons ensuite, pour chaque molécule, calculé et 1A comparé différents descripteurs moléculaires représentatifs de l’aspect électrostatique, lipophilique, stérique et topologique. Les différentes tables constituées des composés et des descripteurs ont ensuite été étudiées par des analyses statistiques comme l’analyse en composantes principales, l’analyse discriminante, la régression multiple et l’analyse Partial Least Square. A partir des meilleurs modèles statistiques, l’activité biologique de nouveaux ligands a été prédite. Après la synthèse et les tests pharmacologiques, ces prédictions se sont révélées précises (écart moyen de 1 unité de pIC ). En parallèle, une étude de dynamique moléculaire du récepteur sérotoninergique transmembranaire 5- 50 HT a été entreprise afin de rendre compte de l’importance fonctionnelle de ces ligands au niveau des interactions 1A électrostatiques, stériques et lipophiliques mises en jeu au sein du site actif du récepteur. Ces études sur un nombre limité de complexes ligand/récepteur ont aussi été menées afin de comprendre le rôle de certaines parties fonctionnelles de ces ligands, rôle mal défini jusqu’alors par les autres techniques. Nous avons aussi obtenu des informations qualitatives sur les interactions et la mobilité de certaines parties du récepteur, entre autres sur les hélices transmembranaires TMH5, 6 et 7. INTRODUCTION GENERALE La sérotonine (5-hydroxytryptamine, 5-HT) est une amine biogène découverte dans les cellules entérochromaffines de l’intestin par Vialli et Erspamer1 en 1933. Elle a été mise en évidence dans le système nerveux central (SNC) des mammifères il y a une quarantaine d'années. La sérotonine est définie comme le facteur vasoconstricteur sérique relargué par les plaquettes sanguines ; son nom est alors choisi d’après sa présence dans le sérum et ses propriétés vasotoniques. Sa structure moléculaire (Figure 1) est déterminée en 1948 par Rapport2, et sa synthèse chimique en 1951 par Hamlin et Fischer3 marque l’essor de l’étude intensive du système nerveux central. Cet effort d’investigation et de compréhension du système nerveux central est toujours d’actualité avec les récents travaux du prix Nobel 1994 de médecine et de physiologie décerné à Alfred Gilman et Martin Rodbeil, concernant la transmission des signaux au sein des cellules via les protéines G couplées aux récepteurs transmembranaires du système nerveux central. NH 2 HO 3-(2-amino-éthyl)-5-hydroxy-indole NH Figure 1. Représentation de la sérotonine. Rapidement, la démonstration de l'hétérogénéité de la distribution de la 5-HT au niveau cérébral a conduit à suggérer que cette amine y jouait le rôle de neuromédiateur. Depuis, les recherches ont progressé par bonds, suivant en cela l’avènement de nouvelles techniques biochimiques et biologiques, anatomiques, électrophysiologiques, ainsi que le développement de nouveaux outils pharmacologiques et informatiques pour la modélisation moléculaire. Ce neurotransmetteur synthétisé et libéré dans des neurones spécifiques intervient dans le contrôle de nombreuses fonctions cérébrales telles que les cycles veille-sommeil, la thermorégulation, la mémoire, la migraine, les comportements de l’appétit et de la satiété, le comportement sexuel, la 1 nociception, etc...4. Et il est généralement associé à des désordres neurologiques ou psychiatriques tels que les dépressions, les démences (y compris la maladie d’Alzheimer) et l'anxiété5. Cette pluralité d'interventions de la sérotonine est très probablement en rapport avec la multiplicité de ses récepteurs (plus de 15), certains d'entre eux étant couplés à plusieurs systèmes effecteurs. D'ailleurs, dès 1957, Gaddum et Picarelli6 apportaient les premiers arguments expérimentaux en faveur de l'existence d'au moins deux types de récepteurs pour la 5-HT. Depuis, la situation a considérablement évolué puisque l'application des techniques de la biologie moléculaire a permis le clonage et le séquençage des ADNc d'une quinzaine de récepteurs distincts (5-HT , 5- 1A HT , 5-HT , 5-HT , 5-HT , 5-HT , 5-HT pour la classe 5-HT ; 5-HT , 5-HT , 1B/1Db 1Da 1E 1F dro2A dro2B 1 2A 2B 5-HT pour la classe 5-HT ; 5-HT , 5-HT , 5-HT , 5-HT pour la classe des récepteurs 2C 2 4 6 7 dro1 stimulant la sécrétion de l’adénylate cyclase ; 5-HT , 5-HT pour la classe 5-HT et le récepteur à 5A 5B 5 canal ionique 5-HT ). Cette classification a été révisée plusieurs fois durant les dix dernières 3 années7,8,9,10,11,12,13,14. Comme pour d'autres neuromédiateurs (noradrenaline, dopamine, acétylcholine, histamine, prostaglandine, endorphine, etc...), la sérotonine agit sur des récepteurs qui sont couplés aux protéines G ou bien qui constituent un canal ionique (5-HT , 5-HT ?). De cette pluralité des 3 5 fonctions du système sérotoninergique central s'exprimant au travers d'une multiplicité de récepteurs est venue l'idée que la synthèse de ligands spécifiques de telle ou telle classe de ces récepteurs puisse avoir un intérêt dans le traitement d'une ou plusieurs pathologies parfaitement ciblées. Les données acquises au cours des dix dernières années semblent confirmer ce concept puisqu'il existe aujourd'hui des ligands agissant préférentiellement sur une classe donnée de récepteurs de la 5-HT et dont le domaine d'application thérapeutique s'avère plus délimité. Parmi les sous-types de récepteurs 5-HT, le site 5-HT qui a été cloné le premier est le mieux connu grâce à l'utilisation de la 8-hydroxy-2-di- lA n-propylaminotétraline (8-OH-DPAT)15 ligand particulièrement adapté en raison de sa grande sélectivité et sa grande spécificité vis-à-vis de ce site16,17. Dans le but de trouver de nouvelles molécules radioactives pour le marquage spécifique des sites 5-HT , Cossery et al.18, encouragés par les travaux antérieurs de Sarda et al.19, ont choisi de lA préparer des isostères oxygénés des dérivés hydroxyles de la di-n-propylaminotétraline. Parmi ces molécules, le 5-méthoxy-3,4-dihydro-3-di-n-propylamino-2H-1-benzopyrane ou 5-méthoxy-3-di- n-propylamino chromane (5-MeO-DPAC) s'est avéré présenter une excellente affinité pour les sites 2 actifs des récepteurs 5-HT dans des conditions d'études in vitro et ce, sur des membranes de lA diverses structures cérébrales chez le rat. De surcroît les résultats obtenus avec ce ligand ont démontré que par rapport à la 8-OH-DPAT, molécule de référence, le 5-MeO-DPAC présentait une activité vis-à-vis des sites récepteurs 5-HT beaucoup plus faible que la 8-OH-DPAT lB confirmant ainsi la plus grande sélectivité de ce composé18. De tels composés sélectifs de sites 5- HT (Figure 2) sont, comme le confirment les travaux de Traber20 et Glennon21, susceptibles de lA posséder une importance thérapeutique dans le traitement de l'anxiété et, de ce fait, de remplacer les benzodiazépines certes très utilisées mais aux effets secondaires bien connus22. OH OCH 3 N N O 8-OH-DPAT 5-MeO-DPAC Figure 2. Représentation de deux composés très sélectifs du site 5-HT . 1A De nombreux composés présentant un intérêt certain pour le récepteur 5-HT ont été 1A élaborés durant les dix dernières années par des méthodes de pharmacomodulation ou de modélisation moléculaire. Les méthodes les plus couramment utilisées sont la conception 3D de ligands à l’aide de pharmacophore, les études SAR et les études QSAR. Une autre approche qui devrait permettre la conception de nouvelles molécules potentiellement actives semble être l’étude des complexes ligand/récepteur 5-HT par mécanique et dynamique moléculaire. 1A Le chapitre 2 de ce mémoire sera consacré, entre autres, à la description de ces méthodes et à la présentation de certains travaux publiés dans le domaine des pharmacophores et dans le domaine QSAR. Désireux de mettre au point de nouvelles substances capables de présenter une activité au niveau du SNC, nous avons opté pour l’étude des Relations Quantitatives Structure-Activité (QSAR) de plusieurs familles de composés 5-HT et la modélisation de ligands 5-HT possédant 1A 1A la structure de base chromane et thiochromane. Ces nouveaux ligands ont été proposés à la synthèse 3 à partir d’études sur les pharmacophores 5-HT et d’études QSAR entreprises avec les nombreux 1A composés référencés au Laboratoire. Nous nous sommes efforcés de prédire l’activité dite de « binding », de même que la sélectivité vis-à-vis de plusieurs récepteurs transmembranaires (5-HT , 1A a , a , D ). En parallèle, une étude de dynamique moléculaire du récepteur sérotoninergique 1 2 2 transmembranaire 5-HT a été envisagée afin de rendre compte de l’importance fonctionnelle de 1A ces ligands au niveau des interactions de type électrostatique, lipophilique et stérique pour les complexes ligand/récepteur. Ces études sur un nombre limité de complexes ligand/récepteur ont été entreprises afin d’analyser les interactions spécifiques et de comprendre la dynamique des ligands au sein du site actif et le rôle de certaines parties fonctionnelles de ces ligands, rôle mal défini jusqu’alors par les autres techniques. Nous présenterons dans le chapitre 3 de ce mémoire les résultats des études QSAR entreprises sur les différentes familles de composés 5-HT (indole, tétraline, chromane, 1A thiochromane et un ensemble de 382 ligands) et dans le chapitre 4 les études de mécanique et dynamique moléculaire des complexes ligand/récepteur 5-HT avec des ligands potentiels. 1A 4 CHAPITRE 1 : LES RECEPTEURS SEROTONINERGIQUES : LEURS FONCTIONS BIOLOGIQUES, LEURS LIGANDS LA SEROTONINE - LES RECEPTEURS TRANSMEMBRANAIRES DU SYSTEME NERVEUX CENTRAL - POTENTIALITES THERAPEUTIQUES DES LIGANDS DES RECEPTEURS 5-HT - LES LIGANDS 5-HT1A ET LEURS APPLICATIONS PHARMACOLOGIQUES - LES DONNEES PHARMACOLOGIQUES 5 I. LA SEROTONINE I.1 - La sérotonine et ses effets physiologiques et pathologiques. Un ligand peut être caractérisé par sa capacité à se lier de façon spécifique à un récepteur, qu'il s'agisse de neurorécepteurs ou d’hormones. Le site se définit comme l'endroit du récepteur où ces interactions de type électrostatique, lipophilique et stérique ont lieu. La sérotonine ou 5- hydroxytryptamine (5-HT) joue un rôle capital au niveau du système nerveux central tant sur le plan physiologique que pathologique. En effet, ce neuromédiateur se trouve impliqué dans des fonctions aussi diverses que le sommeil, l’hypertension, la thermorégulation, la nociception ou l'activité sexuelle. Il a aussi pu être démontré que chez l'homme, l'activité des neurones sérotoninergiques est anormale dans certains troubles psychiatriques tels que la dépression, l’anxiété sous ses différentes formes et la démence d'Alzheimer23. Comme tous les neuromédiateurs, la sérotonine exerce ses effets physiologiques via des récepteurs distincts (Schéma 1). Les différents sous-type de récepteurs 5-HT sont caractérisés par 1 une haute affinité pour la sérotonine (Kd nanomolaire), par opposition aux récepteurs 5-HT et 5- 2 HT , dont l’affinité pour le ligand endogène est environ mille fois plus faible. Outre leurs propriétés 4 pharmacologiques respectives, les mécanismes de transduction associés à ces deux derniers récepteurs permettent de les différencier aisément. Les récepteurs 5-HT sont couplés par l'intermédiaire d'une protéine Gq à la phospholipase 2 C, alors que le récepteur 5-HT interagit avec une protéine Gs pour activer l'adénylate cyclase. Ce 4 récepteur avec les récepteurs 5-HT , 5-HT et 5-HT provoque une stimulation qui induit une 6 7 dro1 augmentation des taux intracellulaires d'AMP cyclique24. 6 Schéma 1. Les récepteurs 5-HT et leurs systèmes effecteurs. Gi, Gq et Gs sont les protéines G. AC : adénylate cyclase, PLC : phospholipase C, cAMP : 3’-5’-adénosine monophosphate, DAG : 1-2-diacylglycérole, IP3 : inositol 1,4,5-trisphosphate, ER : réticulum endoplasmique, Kinase A : protéine kinase cAMP dépendante, Kinase C : protéine kinase calcium-lipido dépendante, Cam : protéine kinase calcium-calmodulino dépendante27. En effet, celle des récepteurs 5-HT , 5-HT , 5-HT , 5-HT ,5-HT , 5-HT et 5- 1A 1B/1Db 1Da 1E 1F dro2A HT induit au contraire une diminution de l'activité adénylate cyclase suite à l'activation d'une dro2B protéine Gi25. Dans le groupe des récepteurs 5-HT , l’ancien type 5-HT renommé 5-HT se 1 1C 2C distingue de tous les autres 5-HT par son système de transduction puisqu'il est couplé, comme le 1 récepteur 5-HT , à la phospholipase C. D'ailleurs, ces deux récepteurs 5-HT et 5-HT sont très 2A 2C 2A proches tant au niveau de leurs propriétés pharmacologiques que de leurs caractéristiques moléculaires26. A côté de ces couplages à des systèmes du type second messager, les récepteurs de la 5-HT dont la stimulation provoque l'activation de protéines G sont également couplés à des conductances ioniques (Tableau 1). C'est ainsi, par exemple, que l'activation de protéines G différentes provoque tantôt l'ouverture d'une conductance potassique (couplée au récepteur 5-HT ) 1A 7 tantôt au contraire la fermeture de cette même conductance spécifique du K+ (couplée aux récepteurs 5-HT et 5-HT ). 2A 2C Familles Sous Types Couplages Localisations 5-HT 5-HT Adénylate cyclase (-) Structures limbiques, noyaux du raphé 1 1A Canal K+ (+) Canal Ca2+ (-) Structures extrapyramidales 5-HT Adénylate cyclase (-) Hippocampe, raphé dorsal 1B/1Db 5-HT Adénylate cyclase (-) Cortex 1Da 5-HT Adénylate cyclase (-) Cortex, raphé dorsal 1E 5-HT Adénylate cyclase (-) 1F 5-HT Adénylate cyclase (-) dro2A 5-HT Adénylate cyclase (-) dro2B 5-HT 5-HT Phospholipase C (+) Cortex frontal, hippocampe 2 2A Canal K+ (-) 5-HT Phospholipase C (+) Estomac 2B Canal K+ (-) 5-HT Phospholipase C (+) Plexux choroïdes, hippocampe 2C Canal K+ (-) Récepteurs 5-HT Adénylate cyclase (+) Collicule, Hippocampe, Substance noire 4 stimulant 5-HT Adénylate cyclase (+) Hypothalamus, Thalamus 6 l’adénylate 5-HT Adénylate cyclase (+) Coeur, intestin, Hypothalamus 7 cyclase 5-HT Adénylate cyclase (+) dro1 5-HT 5-HT Canal ionique ? Hypothalamus, Hippocampe 5 5A 5-HT Hippocampe, raphé dorsal 5B 5-HT 5-HT Canal Na+/K+ Cortex entorhinal, Amygdale 3 3 Tableau 1. Principales caractéristiques des récepteurs centraux de la sérotonine. Les corps cellulaires des neurones sérotoninergiques sont essentiellement distribués dans les noyaux du raphé et en particulier dans la zone médiane du tronc cérébral (schéma 2). Les axones se 8