La ligation chimique native

La ligation chimique native est une réaction chimiosélective, initialement proposée par le groupe de S. Kent pour la synthèse de protéines. Elle permet par exemple l’incorporation de résidus non naturels, sondes ou modifications post-traductionnelles en positions choisies de la protéine cible.

Il est généralement mentionné dans la littérature que les techniques de synthèse peptidique supportée permettent de synthétiser des peptides de 50 aminoacides de long, bien que cela reste très dépendant de la séquence du peptide. Des polypeptides de taille plus grande sont difficilement accessibles, essentiellement à cause de rendements de couplage non quantitatifs provenant de l’agrégation de la chaîne peptidique en cours d’élongation ou de réactions secondaires lors des étapes de déprotection. L’accumulation de sous-produits empêche alors souvent la purification du produit désiré. De ce fait, une

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stratégie basée sur le couplage sur support solide de fragments protégés comportant de 10 à 20 résidus a été proposée pour la synthèse de protéines.¹²⁵ Toutefois son application est limitée du fait de la faible solubilité des fragments protégés, de leur purification et caractérisation difficile et du risque d’épimérisation du résidu C-terminal lors de l’activation avant couplage. Pour finir, l’étape de déprotection finale après assemblage de la protéine peut introduire des artefacts. S.B Kent et P. E Dawson ont relevé, en 1994, le défi de la synthèse chimique de protéines en introduisant la ligation chimique native (native chemical ligation, NCL).¹²⁶ Cette découverte a joué un rôle crucial dans l'avancement de la chimie des protéines. La NCL repose sur une réaction chimiosélective qui permet le couplage en solution de deux fragments peptidiques totalement déprotégés via la formation d’une liaison peptidique naturelle (le squelette peptidique reste donc inchangé). La ligation se produit seulement entre une cystéine placée en extrémité C-terminale d’un premier fragment peptidique et la fonction thioester introduite en position N-terminale du second fragment (Figure 48). La NCL est régiosélective : la présence de résidus cystéine « internes » au niveau des deux fragments ne gêne pas la ligation.¹²⁷ Une caractéristique importante de la ligation chimique native est l'absence de racémisation au niveau du site de ligation.¹²⁸ La réaction de ligation s’effectue en milieu aqueux à pH proche de la neutralité (pH 6,5 – 7,5), en présence d’agents réducteurs, conditions qui respectent totalement l’intégrité des fragments peptidiques de départ et de la protéine finale. L’ajout d'agents dénaturants comme le chlorhydrate de guanidine permet d’augmenter la solubilité des peptides et d’effectuer la réaction à concentration plus élevée (de l’ordre de 1 mM pour les fragments de grande taille).

La ligation chimique native se déroule en deux étapes. Après attaque nucléophile du groupement thiol de la cystéine sur le thioester, suit un réarrangement intramoléculaire spontané correspondant à un transfert d’acyle du soufre vers l’azote (S→N) (via un intermédiaire cyclique à cinq chainons favorable). Cette étape conduit à la formation d’une liaison peptidique entre les deux fragments peptidiques.

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Figure 48 – Mécanisme de la ligation chimique native.

Dans leur étude effectuée en 1994, P.E Dawson et al. ont appliqué cette stratégie avec succès à la synthèse de l’interleukine-8 humaine (IL-8), un polypeptide contenant 72 acides aminés dont 4 cystéines. La ligation a été réalisée dans un tampon aqueux à pH 7,6 (contenant 6M de guanidine) entre un premier fragment peptidique de 33 acides aminés portant un benzyle thioester en position C-terminale et un second fragment de 39 résidus contenant une cystéine en extrémité N-terminale (Figure 49). Ceci a permis d’obtenir, après repliement de la protéine et formation des deux ponts disulfures, une protéine en tous points identique à la protéine naturelle.

Figure 49 – Synthèse de l’interleukine-8 par ligation native.

La nature de l’acide aminé situé à l’extrémité C-terminale du fragment thioester (position Xaa, Figure 50) affecte de manière significative la cinétique et parfois aussi le

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rendement de la réaction. Dawson et ses collaborateurs ont synthétisé une librairie de fragments peptidiques contenant chacun des 20 aminoacides protéinogènes en cette position (Figure 50) et ont étudié la cinétique de ligation par suivi HPLC.¹²⁹

Figure 50 – Influence de la nature de l’acide aminé présent en position C-terminale du fragment thioester sur la cinétique de ligation.

La ligation la plus rapide est observée pour le peptide Gly-thioester qui réagit quantitativement en moins de quatre heures. La réaction est plus lente lorsque l’encombrement de la chaîne latérale du résidu Xaa augmente mais reste quantitative sauf pour les fragments contenant en cette position des acides aminés β-ramifiés ou une proline qui ne conduisent pas à une conversion totale même au-delà de 48h. Cependant, le rendement et / ou la cinétique de ligation, peuvent être améliorés par l’ajout de certains thiols dans le mélange réactionnel. En effet la nature du thioester a un impact énorme sur la réaction de NCL. Les peptides alkyle thioester sont généralement moins réactifs que les dérivés aryle thioester. Néanmoins ils sont plus faciles à préparer, stocker et manipuler du fait de leur meilleure stabilité. Les peptides thioester sont donc généralement synthétisés sous forme de leurs dérivés alkyles (par exemple avec l’utilisation de l’acide 3-mercaptopropionique), et sont convertis en dérivés aryle thioester, in situ, par l’addition d’un excès d’aryle thiol (tel que le thiophénol initialement utilisé par le groupe de S. Kent). Johnson et al. ont examiné l’impact sur la réaction de ligation d’une série de quatorze thiols choisis sur la base de leur pKa. Ils ont constaté que les aryle thiols sont de meilleurs additifs, en particulier le MPAA (4-mercaptophenylacetic acid, Figure 51), un thiol soluble dans l’eau qui possède l’avantage non négligeable de ne pas avoir une forte odeur offensante.¹³⁰ L’utilisation de peptides thioester plus réactifs, comportant un meilleur groupement partant, facilite donc la réaction de ligation en augmentant sa cinétique. Il est à noter que lors de

< 2 h < 9 h < 12 h < 48 h

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ligations lentes (non terminées en plus de 24 h), on observe fréquemment la réaction secondaire d’hydrolyse du thioester.

Figure 51 – Echange de thioester avec un aryle thiol. MPAA = acide 4-mercapto phénylacétique.

La ligation chimique native a permis depuis sa découverte par le groupe de S. Kent la synthèse d’un grand nombre de protéines dans différents laboratoires. C’est une méthode générale donnant de bons rendements. Les fragments étant déprotégés, ils sont facilement purifiés et caractérisés avant ligation (par rapport à des fragments qui seraient protégés). Après ligation, une simple étape de purification par HPLC pour éliminer les sels et additifs thiols permet d’obtenir le produit sous sa forme finale désirée. Aucun traitement chimique supplémentaire n’est requis risquant de conduire à des réactions secondaires. C’est pour ces raisons que nous avons choisi cette stratégie pour la synthèse de nos composés cibles : des CPP cyclisés au niveau de leur squelette via une liaison peptidique. La cystéine N-terminale et la fonction thioester C-terminale sont pour cette application introduites sur le même fragment peptide. Il est à noter que la ligation chimique native avait déjà été utilisée précédemment avec succès pour la synthèse de peptides cycliques, en particulier par le groupe de J. P.Tam.¹³¹

3.2.2 Stratégies existantes pour générer le peptide thioester sur support