Characterization of the mechanism of action of small molecules in cancer

Une série de composés synthétiques conçus pour inhiber l’Insulin-Degrading Enzyme (IDE) augmentent la puissance d’induction de l’apoptose par des inhibiteurs du protéasome, tel que carfilzomib, sur plusieurs lignées cellulaires cancéreuses de manière dose-dépendante. Utilisés seuls, les composés de cette série chimique ne présentent pas de toxicité. Dans le cancer, où le besoin médical est insatisfait, les combinaisons thérapeutiques sont des opportunités pour augmenter l’efficacité de la thérapie et réduire les effets indésirables. L’intérêt thérapeutique du développement de ces molécules a été démontré dans un modèle murin de myélome multiple. Par ces travaux de thèse nous avons voulu comprendre le mécanisme d’action de cette série chimique. Pour cela, nous avons utilisé différentes stratégies basées sur la modulation de cible(s), sur l’exploration de phénotypes et sur l’identification des modifications du protéome. Nous nous sommes intéressés à différents phénotypes, observables quantitativement et choisis de manière rationnelle par rapport au mécanisme d’action du carfilzomib, comme l’activité du protéasome, la quantité d’agrésomes et la modulation de voies de signalisation. Nous avons développé une méthode d’observation des agrésomes permettant leur quantification à haut débit en microscopie à fluorescence, et cela a fait l’objet d’une publication. Une approche transcriptomique nous a permis d’identifier des voies de signalisation en réponse aux traitements. Le seul effet cellulaire provoqué sans l’aide d’un autre composé que nous ayons pu mettre en évidence est la modulation de gènes impliqués dans le métabolisme des acides aminés. Les composés de cette série chimique ont été conçus pour inhiber l’enzyme IDE. Plusieurs données appuient l’implication de cette cible dans la physiopathologie du cancer. Cependant d’autres cibles pourraient être impliquées dans le boost apoptotique. Pour élucider cela, une approche préliminaire de protéomique a permis d’identifier des cibles potentielles, qu’il est nécessaire de valider. En multipliant les approches nous sommes en mesure d’émettre des hypothèses sur le mécanisme d’action de ces molécules boosters de l’apoptose induite par le carfilzomib, même si les chaînes causales complètes restent encore à décrire.We discovered that the combination of small chemical compounds designed to inhibit Insulin-Degrading Enzyme (IDE) boosts dose-dependently the proteasome inhibitor carfilzomib-based cytotoxicity in many cancer cell lines. Alone, the compounds display no toxicity. In oncology, where there are still unmet medical needs, therapeutic combinations are real opportunities to increase drug efficacy and to reduce side effects. The therapeutic interest of our molecules has been demonstrated in a mouse model of multiple myeloma. Through this thesis work, we wanted to decipher the mechanism of action of this booster series. To do so, we used different strategies based on target profiling, proteome modulation and phenotype exploration. We analyzed, in kinetics and/or with dose response, different phenotypes like proteasome activity, aggresome quantification or pathways modulations, rationally selected on the basis of the mechanism of action of carfilzomib. We have developed and published a method to observe aggresomes that allows quantification of these formations by fluorescence microscopy at high throughput. A transcriptomic approach was performed to identify pathways in response to treatments. The only biological effect produced by the compounds alone that we observed is the modulation of genes involved in amino-acid metabolism pathways. The compounds were designed as inhibitors of insulin-degrading enzyme but several data support that other targets could be involved in the phenotype. To elucidate this, a preliminary proteomic approach was performed that allowed the identification of potential targets which need to be further validated. By multiple approaches, we were able to hypothesize on a potential mechanism of action of the apoptotic boost-induced by our chemical series with cytotoxic agents. Still, the causal chains of events remain to be fully described