Étude structurale des ADN topoisomérases 2A ciblées par des composés thérapeutiques : architecture moléculaire et implications mécanistiques

DNA topoisomerases regulate DNA topology during cellular processes such as replication, transcription or chromosome segregation. Their crucial role in maintaining the integrity of the genome and in genetic transmission makes them prime targets for the development of therapeutic molecules. However, the inhibitors currently used as anti-tumor agents against human topoisomerases are not very specific and cause many side effects. Similarly, the massive use of broad-spectrum antibiotics against bacterial topoisomerases leads to the appearance of mutations and the development of resistant strains. The optimization of current therapeutics depends on our understanding of the catalytic mechanism, the precise cellular functions, the complete three-dimensional architectures and the inhibition processes of these topoisomerases. This study first focused on the structural characterization of the interaction between Coumermycin-A1, an aminocoumarin antibiotic, with the ATPase domain of DNA Gyrase, a bacterial Type 2A topoisomerase. The results obtained revealed an unprecedented mode of inhibition and pave the way to the design of new variants of this antibiotic, specifically targeting pathogenic DNA Gyrases. The second part of the thesis consisted in the study of the complete architecture of the DNA Gyrase and the human Topo II alpha isoform by Cryo-electron microscopy. The structural data obtained reveal for the first time the complete architecture of these topoisomerases at high-resolution. The results shed light on the finely-tuned allosteric movements of topoisomerases 2A during the catalytic cycle. These information, until now out of reach using the conventional structural methods, are essential for the development of new inhibitory molecules that can specifically target different catalytic states.Les ADN topoisomérases régulent la topologie de l’ADN lors des processus cellulaires tels que la réplication, la transcription ou la ségrégation des chromosomes au cours de la division cellulaire. Leur rôle crucial dans le maintien de l’intégrité du génome et dans la transmission des gènes en fait des cibles privilégiées pour le développement de molécules thérapeutiques. Cependant, les inhibiteurs utilisés actuellement comme agents anti-tumoraux contre les topoisomérases humaines sont peu spécifiques et entrainent de nombreux effets secondaires. De même, l’utilisation massive d’antibiotiques à large spectre contre les topoisomérases bactériennes entraine l’apparition de mutations et le développement de souches résistantes. L'amélioration des traitements dépend de notre compréhension du mécanisme catalytique, des fonctions cellulaires précises, des architectures tridimensionnelles et des processus d'inhibition de ces ADN topoisomérases. Nous nous sommes tout d’abord consacrés à l’étude structurale de l’interaction entre la Coumermycine-A1, un antibiotique de la famille des aminocoumarines, avec le domaine ATPase de l’ADN Gyrase, une topoisomérase 2A bactérienne. Les résultats obtenus ont révélé un mode d’inhibition inédit et ouvrent la voie à la conception de nouveaux dérivés de cet antibiotique, ciblant plus spécifiquement les ADN Gyrases de pathogènes. La seconde partie de la thèse a consisté en l’étude de l’architecture complète de l’ADN Gyrase et de l’isoforme alpha de la Topo II humaine par Cryo-microscopie électronique. Les données structurales obtenues révèlent pour la première fois l’architecture complète de ces topoisomérases à haute résolution. L’ensemble des résultats apporte de nouveaux éléments pour la compréhension des mouvements allostériques des topoisomérases 2A lors du cycle catalytique. Ces données, jusque-là inaccessibles par les méthodes structurales conventionnelles, sont essentielles pour le développement de nouvelles molécules inhibitrices pouvant cibler spécifiquement différents états catalytiques