Les nucléosides, les oligonucléotides et leurs analogues

Depuis la compréhension des mécanismes biologiques régissant le métabolisme cellulaire, l’intérêt pour des substances capables de le bloquer ou de le modifier n’a cessé de croître. De nombreuses familles de molécules ont ainsi été étudiées dans le but de trouver des traitements efficaces contre diverses pathologies. Aujourd’hui, malgré les progrès de la médecine, il existe encore de nombreuses maladies incurables chez l’homme. L’augmentation incessante des cas de cancer et l’émergence de nouvelles maladies d’origine virale, tel que le virus de l’Immunodéficience Humaine (VIH), sont devenues des préoccupations importantes de santé publique et ont stimulé la recherche scientifique. Malgré un large arsenal thérapeutique et l’amélioration des conditions de vie des malades, la chimiothérapie possède deux inconvénients majeurs : la chimiorésistance des tumeurs cancéreuses et des virus, et la toxicité des substances actives vis-à-vis des cellules saines. C’est pourquoi, de nos jours, développer de nouvelles substances bioactives reste une nécessité.

Parmi les nombreuses molécules biologiquement actives, les analogues de nucléosides se sont avérés particulièrement intéressants dans la lutte face aux infections virales tels que le SIDA (Syndrome d’Immunodéficience Acquise), le virus de l’Hépatite B (VHB) ou encore le virus Herpès Simplex (HSV). Ils se sont également révélés attrayant dans le cadre des chimiothérapies anticancéreuses.

Les analogues d’oligonucléotides, agissant plus en amont, c’est à dire au niveau du matériel génétique tel que l’ADN ou les ARN, ont également montré une importance considérable au niveau de la thérapie génique. En effet, même si leur utilisation dans les applications thérapeutiques actuelles est très limitée, de nombreux acides nucléiques de synthèse se sont avérés très prometteurs pour les stratégies antisens et anti-gène.

Les nucléosides, les oligonucléotides et leurs analogues 

L’importance biologique des nucléosides est apparue dès la première moitié du vingtième siècle. Leur présence dans la cellule est indispensable en raison de leur implication dans la transcription, la traduction, la synthèse protéique et dans les processus de transmission de l’information génétique. Les nucléosides modifiés ont donc vivement intéressé le chimiste et le pharmacologue pour la lutte contre les pathologies virales et pour la chimiothérapie anticancéreuse. Les modifications structurales, situées sur la partie osidique comme sur la base nucléique, ont mené à des composés capables de limiter la progression des tumeurs ou d’inhiber la réplication virale en bloquant une des étapes clé du cycle cellulaire.

Par ailleurs, au début des années 1980, le génie génétique s’est développé, permettant ainsi la maîtrise de nouvelles stratégies intervenant au niveau cellulaire. Il est alors devenu possible d’explorer le génome humain, ce qui est considéré comme une étape clé de l’histoire de la médecine. Il en a découlé l’apparition de la thérapie génique. Celle-ci peut se définir comme toute stratégie qui repose sur l’introduction de matériel génétique dans des cellules humaines dans le but de réduire ou d’éliminer une maladie. Contrairement aux médicaments qui agissent sur l’activité et le fonctionnement d’une protéine, les gènes thérapeutiques interviennent plus en amont, à la source même du dysfonctionnement. Cette méthode ouvre des opportunités pour un très grand nombre de maladies. On y retrouve principalement les maladies génétiques héréditaires et les maladies acquises. Par exemple, la thérapie génique est une méthode potentiellement efficace pour traiter les cancers, les infections, l’immunodéficience innée, les maladies cardiovasculaires, le stress oxydant, etc. Cependant, si de très nombreux essais cliniques ont été lancés ces vingt dernières années, il n’existe, à l’heure actuelle, qu’un seul oligonucléotide médicament mis sur le marché, le Vitravene (utilisé pour traiter les rétinites cytomégalovirales de certains patients atteints du SIDA).

L’ADN

Les nucléosides sont les constituants de base des acides nucléiques, qui jouent un rôle fondamental dans la vie et la reproduction des cellules animales, végétales et microbiennes. Les acides nucléiques sont présents non seulement dans le noyau, mais aussi dans le cytoplasme des cellules. Il existe deux types d’acides nucléiques : l’acide désoxyribonucléique (ADN), présent essentiellement dans le noyau des cellules, et l’acide ribonucléique (ARN), présent majoritairement dans le cytoplasme des cellules. C’est dans la synthèse des protéines, supports de la plupart des activités biologiques, que l’ADN et l’ARN jouent un rôle essentiel. L’ADN contient en effet toutes les informations nécessaires à cette synthèse et, en quelque sorte, dicte l’ordre dans lequel tel acide aminé, puis tel autre, doivent s’enchaîner pour donner la protéine adéquate. L’ADN renferme aussi les informations nécessaires à la régulation de cette synthèse. Il est un élément permanent de la cellule et les informations qu’il contient seront transmises aux descendants. L’ADN est donc le support de l’hérédité. Les ARN, eux, permettent l’exécution de la synthèse protéique.

Les nucléosides et oligonucléotides : définition et structure 

Les acides nucléiques sont des biopolymères formés par la répétition de sous-unités appelées nucléosides. Structurellement parlant, les nucléosides découlent de l’union entre une base azotée (purique ou pyrimidique) connectée par une liaison carbone-azote à une partie glucidique : le ribose pour l’ARN et le désoxyribose pour l’ADN .

La liaison entre deux nucléosides distincts est assurée par de l’acide phosphorique, qui estérifie les hydroxyles présents en position 3’ et 5’ du ribose ou du désoxyribose. Chaque motif composé d’un sucre, d’une base, et d’un groupement phosphate est appelé un nucléotide .

Les oligonucléotides sont des macromolécules qui résultent de l’enchaînement de plusieurs nucléotides, reliés entre eux via une liaison 3’,5’-phosphodiester. Un seul groupement phosphate réunit deux nucléotides contigus en estérifiant d’une part, l’hydroxyle en position 3’ du premier nucléotide, et d’autre part, l’hydroxyle en position 5’ du second nucléotide .

Structure et fonction de l’ADN et de l’ARN 

En 1953, Watson et Crick (Prix Nobel de Médecine en 1962) ont élucidé pour la première fois la structure de l’ADN. Trois caractéristiques permettent de différencier l’ADN de l’ARN. Tout d’abord, l’ose constituant l’ADN est le 2’-désoxyribose, et non le ribose, comme c’est le cas pour l’ARN. Les bases constituant les nucléotides de l’ADN sont l’adénine, la guanine, la cytosine et la thymine. Notons que dans l’ARN, l’uracile remplace la thymine. Par ailleurs, l’ADN est généralement formé de deux brins de nucléotides alors que l’ARN est le plus souvent monobrin. Les deux brins de l’ADN sont enroulés en double hélice autour d’un axe imaginaire .

Les deux squelettes pentose-phosphate sont localisés sur les bordures extérieures de l’hélice tandis que les bases se font face à l’intérieur et s’apparient par des liaisons hydrogène maintenant ensembles les deux brins. L’adénine est toujours appariée à la thymine par deux liaisons hydrogène tandis que la guanine et la cytosine sont toujours liées par trois liaisons hydrogène .

L’ADN et l’ARN sont les dépositaires moléculaires de l’information génétique et établissent le scénario de tous les évènements se produisant dans une cellule. Chaque protéine, et donc chaque constituant cellulaire, résulte d’une information programmée dans la séquence nucléotidique de l’ADN. En effet, la séquence de chaque acide aminé ainsi que de chaque ARN est déterminée par l’ADN. Un gène est un segment d’ADN contenant l’information génétique nécessaire pour la synthèse d’un composé biologique fonctionnel. De façon à propager cette information dans toutes les cellules, l’ADN a la possibilité de se répliquer. Ce processus est dit semi-conservatif car chaque brin d’ADN sert de modèle pour la copie du brin complémentaire .

La réplication démarre à un point fixe : l’origine de réplication. Des protéines spécifiques reconnaissent cette origine et provoquent la séparation des deux brins par rupture des liaisons hydrogène. Des enzymes appelées ADN polymérases entament ensuite l’élongation d’un brin modèle selon les règles d’appariement des bases par paire. En effet, si une adénine est présente dans la matrice modèle, une thymine est ajoutée sur le nouveau brin et ainsi de suite. Une amorce, c’est-à-dire un segment de brin nouveau (complémentaire du modèle) auquel des nucléotides peuvent être ajoutés, est indispensable. L’élongation est toujours effectuée dans le sens 5’ → 3’.

L’information contenue dans un gène passe toujours par la formation d’un ARN messager (ARNm). Un phénomène appelé transcription permet à une enzyme, l’ARN polymérase, de convertir l’information génétique d’un segment d’ADN en un brin d’ARN de séquence complémentaire à celle d’un des brins d’ADN. La traduction permet la synthèse des protéines à partir de la séquence nucléotidique de l’ARNm .

Les analogues de nucléosides 

Compte-tenu de l’importance de l’ADN et de l’ARN, et de leur implication dans de nombreuses maladies, les scientifiques se sont orientés vers la synthèse de briques élémentaires de ces acides nucléiques, tels que les nucléosides. De nombreuses modifications, portant sur la base et / ou sur le sucre, ont été apportées sur les nucléosides naturels. Nous détaillerons donc, après avoir expliqué le mode d’action général des analogues de nucléosides, les principaux changements effectués. Pour les cas où ces modifications portent sur deux sites distincts, nous avons choisi de signaler la modification principale.

Mode d’action général des analogues de nucléosides

Les analogues de nucléosides sont des composés inactifs qui traversent la membrane cellulaire à l’aide de transporteurs nucléosidiques . Ils subissent, par le biais d’enzymes spécifiques, les nucléosides et nucléotides kinases, plusieurs étapes de phosphorylation intracellulaire qui permettent la production et l’accumulation des métabolites actifs, les dérivés di-et triphosphates . Dans le cadre d’une activité anticancéreuse, ces derniers exercent l’activité cytotoxique des analogues de nucléosides par interaction avec les enzymes du métabolisme des nucléotides physiologiques et par incorporation dans l’ADN et l’ARN, induisant ainsi la mort cellulaire par apoptose . Dans le cadre d’une activité antivirale, les dérivé di- et triphosphates s’intégrent dans l’ADN ou l’ARN viral et jouent le rôle d’agents terminaux de chaîne.

Analogues de nucléosides à base modifiée 

Analogues à base pyrimidique modifiée La modification la plus fréquemment apportée sur les bases pyrimidiques consiste à introduire sur leur noyau un ou plusieurs substituants. La 5-iodo-2’-désoxyuridine I.1 (IdU) est le premier nucléoside antiviral décrit possédant une base pyrimidique modifiée. Ce composé a été utilisé dans le traitement de diverses infections herpétiques mais son utilisation n’a pas été poursuivie à cause de son manque de sélectivité et de ses effets secondaires intolérables en utilisation systémique. Deux autres exemples, la 5- trifluorométhyl-2’-désoxyuridine I.2 (TFT) et la 5-éthyl-2’-désoxyuridine I.3 (EdU), ont montré des propriétés anti-HSV et servent pour traiter l’herpès oculaire. La 5-bromovinyl-2’- désoxyuridine I.4 (BVDU), quant à elle, est employée contre le Virus Varicelle-Zona (VZV).

Un nombre important de nucléosides pyrimidiques modifiés a été décrit ces dernières années. Dembinski et al. (I.5 à I.12) ont notamment prouvé que l’alcyne terminal I.12 possédait un caractère antitumoral (cellules MCF-7, IC50 = 0,4 μM) supérieur à celui du cisplatine (cellules MCF-7, IC50 = 2,0 μM). Par ailleurs, des substituants hétérocycliques ont été introduits sur l’uracile. C’est, entre autres, le cas des analogues oxazoline ou triazole de Lee et coll. (I.13 à I.16) (Figure I-10). Malheureusement, ces composés se sont avérés inactifs sur les cancers du sein, du poumon, de la prostate et de l’estomac.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : Les nucléosides, les oligonucléotides et leurs analogues
1- Introduction
2- L’ADN
2.1- Les nucléosides et oligonucléotides : définition et structure
2.2- Structure et fonction de l’ADN et de l’ARN
3- Les analogues de nucléosides
3.1- Mode d’action général des analogues de nucléosides
3.2- Analogues de nucléosides à base modifiée
3.2.1- Analogues à base pyrimidique modifiée
3.2.2- Analogues à base purique modifiée
3.2.3- Analogues à base triazolique
3.2.4- Analogues à base benzimidazolique
3.2.5- Analogues C-nucléosidiques
3.3- Analogues de nucléosides à structure ribosyle modifiée
3.3.1- Analogues 2’,3’-didésoxynucléosidiques
3.3.2- Remplacement des hydroxyles de la structure ribosyle
3.3.3- Analogues cyclonucléosidiques
3.4- Analogues de nucléosides à thio- et azasucre
3.5- Analogues L-nucléosidiques
3.6- Analogues de nucléosides acycliques
3.7- Analogues de nucléosides carbocycliques à 3 et 5 chaînons
3.8- Analogues de nucléosides carbocycliques à 4 chaînons
3.9- Analogues de nucléosides carbocycliques à 6 chaînons
3.9.1- Analogues cyclohexéniques
3.9.1.a- Analogues cyclohexéniques monohydroxylés
3.9.1.b- Analogues cyclohexéniques dihydroxylés
3.9.1.c- Analogues trihydroxylés
3.9.2- Analogues cyclohexaniques
3.9.2.a- Analogues non hydroxylés
3.9.2.b- Analogues monohydroxylés
3.9.2.c- Analogues dihydroxylés
3.9.2.d- Analogues trihydroxylés et tétrahydroxylés
3.9.2.e- Analogues bicycliques
4- Les analogues d’oligonucléotides
4.1- Applications thérapeutiques des analogues d’oligonucléotides : la thérapie génique
4.1.1- Principales stratégies thérapeutiques
4.1.1.a- Ciblage de l’ARN
4.1.1.b- Ciblage de l’ADN
4.1.2- Transport des oligonucléotides jusqu’à leur cible : les vecteurs
4.2- Oligonucléotides modifiés
4.2.1- Principales propriétés recherchées sur un oligonucléotide
4.2.2- Mesure de la température de fusion de l’ADN
4.2.3- Modification du lien phosphodiester
4.2.4- Modification de la structure furanosyle
4.2.4.a- Oligonucléotides 2’-substitués
4.2.4.b- Oligonucléotides verrouillés ou « Locked Nucleic Acids » (LNA)
4.2.5- Oligonucléotides morpholino phosphorodiamidates ou « Phosphorodiamidate Morpholino Oligonucleotides » (PMO)
4.2.6- Oligonucléotides peptidiques ou « Peptide Nucleic Acids » (PNA)
4.2.7- Oligonucléotides cyclobutaniques
4.3- Méthodes de synthèse d’oligonucléotides
4.3.1- Synthèse en solution
4.3.1.a- Méthode phosphodiester
4.3.1.b- Méthode phosphotriester
4.3.1.c- Méthode phosphite triester
4.3.2- Synthèse automatisée sur support solide
4.3.2.a- Méthode aux phosphoramidite
i) Nature du support
ii) Nature des synthons
iii) Cycle de synthèse
4.3.2.b- Méthode aux H-phosphonates
5- Conclusion
CHAPITRE II : Synthèse d’analogues de nucléosides et d’oligonucléotides cyclobutaniques
1- Introduction
2- Méthodes énantiosélectives de synthèse d’analogues de nucléosides cyclobutaniques
2.1- Par cycloaddition [2+2] asymétrique
2.2- Par acétylation énantiosélective enzymatique
3- Préparation des analogues d’oligonucléotides cyclobutaniques
3.1- Stratégie envisagée
3.2- Préparation du cyclobutène II.67
3.3- Préparation des nucléosides cyclobuténiques II.72 et II.73a
3.3.1- Choix de la réaction de Mitsunobu
3.3.2- Accès à l’analogue de la thymine II.72
3.3.3- Accès à l’analogue de l’adénine II.73a
3.4- Tentative de préparation des nucléosides cyclobutaniques protégés par une fonction DMTr
3.4.1- Hydroboration de l’analogue thymine II.72
3.4.2- Hydroboration de l’analogue adénine II.73a
3.5- Nouvelle stratégie de synthèse : passage par une protection TBDPS
3.6- Synthèse des nucléosides cyclobuténiques sylilés II.47 et II.48
3.6.1- Préparation du composé II.46
3.6.2- Introduction des bases nucléiques par réaction de Mitsunobu
3.6.2.a- Accès à l’analogue de la thymine II.47
3.6.2.b- Accès à l’analogue l’adénine II.48
3.7- Préparation des nucléosides cyclobutaniques protégés par une fonction DMTr
3.7.1- Accès aux analogues de la thymine
3.7.1.a- Hydroboration du composé II.47
3.7.1.b- Acétylation et désilylation des composés II.49a et II.51a
3.7.1.c- Préparation des nucléosides cyclobutaniques cibles II.81a et II.82a
3.7.2- Accès aux analogues de l’adénine
3.7.2.a- Hydroboration du composé II.48
3.7.2.b- Benzoylation et désilylation des composés II.50a et II.52a
3.7.2.c- Préparation des nucléosides cibles II.93 et II.94
3.8- Préparation des nucléotides phosphoramidites et incorporation dans les enchaînements oligonucléotides
3.8.1- Préparation du phosphoramidites II.95
3.8.2- Préparation des oligonucléotides
4- Conclusion
CHAPITRE III : Synthèse d’analogues de nucléosides cyclohexéniques
1- Introduction
2- Méthodes énantiosélectives de synthèse d’analogues de nucléosides cyclohexéniques et
cyclohexaniques
2.1- A partir d’un pool chiral
2.1.1- Via des structures cyclohexéniques et cyclohexaniques énantiomériquement pures
2.1.2- Via un réarrangement de Ferrier
2.2- Par acétylation énantiosélective enzymatique
3- Préparation des analogues de nucléosides cyclohexéniques
3.1- Stratégie de synthèse
3.2- Préparation de l’adduit III.56
3.2.1- Préparation du diène III.51
3.2.2- Préparation du diénophile III.54
3.2.3- Préparation de l’adduit III.56
3.3- Préparations des nucléosides cyclohexéniques III.80 et III.86
3.3.1- Préparation puis protection du triol cyclohexénique III.58
3.3.2- Elaboration des bases nucléiques
3.3.2.a- Méthodes de construction des bases pyrimidiques et puriques autour d’une amine primaire
i) Construction des bases pyrimidiques
ii) Construction des bases puriques
3.3.2.b- Préparation de l’analogue purique III.80
3.3.2.c- Préparation de l’analogue pyrimidique III.86
3.4- Approche vers la synthèse d’analogues cyclohexaniques contraints
4- Conclusion
CHAPITRE IV : Approche vers la synthèse de galactosyl pyrrolo-pyridinones
1- Introduction
2- Les dérivés pyrrolo-pyridinones
2.1- Intérêt biologique du motif pyrrolo-pyridinone
2.2- Méthodes de synthèse des dérivés pyrrolo-pyridinones
2.2.1- A partir d’un pyrrole déjà construit
2.2.2- Par construction du pyrrole
3- Méthodes de synthèse de glycosides α-C-acétyléniques
3.1- Méthodes de synthèse de 2-azido ou 2-nitroglycosides α-C-acétyléniques
3.1.1- 2-azidoglycosides α-C-acétyléniques
3.1.2- 2-nitroglycosides α-C-acétyléniques
3.2- Méthodes de synthèse de 2-hydroxy ou 2-désoxyglycosides α-C-acétyléniques
3.2.1- A partir de composés glycosidiques
3.2.2- A partir de glycal, de composés 1,2-anhydro ou 1,6-anhydro
4- Synthèse des glycosides α-acétyléniques azotés en position 2
4.1- Stratégie de synthèse envisagée
4.2- Préparation du D-galactal IV.62
4.3- Préparation des précurseurs azidos et nitros nécessaires à l’introduction des acétyléniques
4.3.1- Préparation des précurseurs azides IV.68 et IV.69αβ238
4.3.2- Préparation du précurseur nitré IV.72
4.4- Préparation des glycosides α-C-acétyléniques
4.4.1- Tentative d’accès aux 2-azidogalactosides α-C-acétyléniques
4.4.2- Tentative d’accès aux 2-nitrogalactosides α-C-acétyléniques
4.5- Tentative de préparation des intermédiaires pyridaziniques
4.5.1- Préparation de la 1,2,4,5-tétrazine dicarboxylate de méthyl IV.81
4.5.2- Tentatives de cycloaddition [4+2] entre les précurseurs acétyléniques et la tétrazine
5- Conclusion
Conclusion générale

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