PhD in Large Scale Proteomics and Structural MS (m/f) 3 years

Description du Poste

Sujet De Thèse

Contexte
Le protéasome humain est un complexe multi-protéique essentiel à la dégradation des protéines et à l'homéostasie cellulaire. Sa dérégulation est associée à des maladies neurodégénératives, à l'inflammation et au cancer. Depuis 2003, trois inhibiteurs approuvés par la FDA ciblent ses sites catalytiques pour traiter le myélome multiple et le lymphome à cellules du manteau, mais ils provoquent des effets indésirables graves en bloquant totalement l'activité protéasomale. Le développement d'inhibiteurs sélectifs de sous-types spécifiques du protéasome constitue une alternative prometteuse.
L'hétérogénéité du protéasome découle de sous-unités alternatives, d'interactions avec des régulateurs et de modifications post-traductionnelles. Son cœur catalytique (std20S) est constitué de 14 sous-unités, tandis que l'immunoprotéasome (i20S), induit par l'interféron-γ, favorise la présentation antigénique. Les cellules humaines contiennent des mélanges de std20S, d'i20S et de complexes intermédiaires. En raison de la faible spécificité des inhibiteurs de première génération et de l'implication de l'i20S dans diverses pathologies, des inhibiteurs sélectifs ont émergé, montrant des résultats prometteurs dans le rejet de greffe, le cancer et les maladies auto-immunes.
Les sous-types du protéasome interagissent avec des activateurs tels que 19S, PA28αβ, PA28γ et PA200, qui facilitent l'accès des substrats. Bien que le 20S seul ait une faible activité, ces activateurs peuvent augmenter considérablement sa fonction. PA28αβ et PA28γ augmentent l'activité du 20S jusqu'à 50 fois et forment des complexes hybrides impliqués dans le traitement des antigènes, la réponse au stress oxydatif, le cancer et les maladies auto-immunes.
Objectifs
Ce projet de thèse, financé par l'ANR (Proteasom-inhib), vise à développer une 3e génération d'inhibiteurs spécifiques des sous-types du protéasome 20S associés à PA28, dans un contexte auto-inflammatoire. Cibler ces sous-types par le biais de leurs activateurs pourrait réduire significativement la toxicité observée avec les médicaments de 1re et 2e génération.
Introduction
Le protéasome est une machine macromoléculaire responsable de la dégradation des protéines intracellulaires, élément essentiel de l'homéostasie cellulaire. Chez l'humain, la particule 20S est constituée de deux anneaux externes formés de sept sous-unités α différentes (α1-7) et de deux anneaux internes formés de sept sous-unités β différentes (β1-7). Les deux anneaux β forment une chambre protéolytique, tandis que les anneaux α, situés au-dessus et au-dessous, contrôlent l'accès à cette chambre et fournissent une interface de liaison pour les protéines régulatrices. L'activité catalytique est portée par trois sous-unités β: β1, dotée d'une activité de type caspase, β2, dotée d'une activité de type trypsine, et β5, dotée d'une activité de type chymotrypsine [1]. Ces sous-unités appartiennent à la forme du protéasome exprimée de façon ubiquitaire, appelée « protéasome constitutif » (c20S).
En plus du protéasome constitutif, présent dans tous les types de tissus, d'autres formes ont été identifiées, dont l'immunoprotéasome (i20S). Cette forme est exprimée de manière permanente dans les cellules immunitaires et les cellules épithéliales thymiques médullaires [2], et peut être induite par la cytokine pro-inflammatoire interféron (IFN)-γ dans de nombreux autres types cellulaires [3]. L'immunoprotéasome remplace β1, β2 et β5 par les sous-unités immunitaires catalytiquement actives β1i, β2i et β5i. Il existe également des protéasomes intermédiaires β1-β2-β5i et β1i-β2-β5i, qui combinent des sous-unités catalytiques constitutives et immunitaires [4].
L'immunoprotéasome joue un rôle important dans la fonction du système immunitaire en modifiant le répertoire de peptides antigéniques en cas d'infection ou d'inflammation. Les peptides antigéniques sont présentés par les complexes majeurs d'histocompatibilité (CMH) à la surface cellulaire, pour être reconnus par les lymphocytes T [3]. L'immunoprotéasome génère des peptides plus longs, de longueur plus homogène et plus hydrophobes au niveau de leur extrémité C-terminale. Ces propriétés sont favorables à la liaison aux molécules de CMH de classe I, ce qui conduit à une présentation peptidique accrue et à une activation du système immunitaire. Au-delà de la présentation des peptides, l'immunoprotéasome participe à l'induction de cytokines pro-inflammatoires, au maintien de la prolifération des lymphocytes T et à la dégradation des protéines oxydées [4]. Du fait de son implication majeure dans la réponse immunitaire, l'immunoprotéasome est impliqué dans des maladies auto-immunes telles que la polyarthrite rhumatoïde [5] et les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) [6]. De plus, des études ont montré que l'inhibition spécifique de l'immunoprotéasome réduit le rejet chronique de greffes d'organes allogéniques.
Outre la variation des sous-unités catalytiques, l'hétérogénéité du protéasome est encore accrue par la présence de régulateurs, qui s'ancrent dans les poches formées par les anneaux α du protéasome 20S, modifiant ainsi son activité et sa fonctionnalité [7]. Citons notamment les activateurs heptamériques PA28αβ, souvent associés à l'i20S [2], et PA28γ, associé au c20S. Le PA28αβ cytosolique ne se contente pas d'augmenter l'activité catalytique de l'immunoprotéasome : il renforce également la présentation antigénique et donc la réponse immunitaire. Le PA28γ, présent dans le noyau, régule la dégradation d'un petit sous-ensemble de protéines, dont des régulateurs du cycle cellulaire et le suppresseur de tumeur p53 [8]. Par un mécanisme opposé à celui du PA28αβ, qui promeut l'inflammation via une présentation antigénique accrue, le PA28γ dégrade les peptides du CMH-I dans le cancer, facilitant ainsi l'échappement à l'immunosurveillance [8].
Trois inhibiteurs du protéasome de première génération ont été approuvés pour le traitement du myélome multiple ; cependant, ils provoquent des effets indésirables importants en raison du manque de spécificité vis-à-vis d'un sous-type particulier de protéasome [3]. Des études ont été menées sur des inhibiteurs de 2e génération ciblant les sites catalytiques de l'immunoprotéasome, mais le ciblage d'une seule sous-unité catalytique s'est révélé insuffisant pour atteindre les objectifs thérapeutiques [9]. Le développement d'inhibiteurs de sous-types du protéasome ciblant spécifiquement les régulateurs PA28αβ et PA28γ constitue une alternative prometteuse.
But et objectifs
Ce projet vise à développer une 3e génération d'inhibiteurs ciblant les complexes i20S-PA28αβ et c20S-PA28γ, en raison de leur implication respective dans les maladies auto-immunes et le cancer. L'objectif est de trouver des médicaments suffisamment sélectifs pour réduire les effets indésirables observés avec les médicaments de 1re génération, et qui, en ne ciblant pas les sites catalytiques, soient plus sélectifs que les médicaments de 2e génération.
Le premier objectif est d'évaluer l'efficacité d'une série d'inhibiteurs identifiés précédemment à réduire l'activité du protéasome in vitro, afin d'identifier les molécules les plus efficaces et les plus sélectives. Les candidats prometteurs seraient ensuite évalués in cellulo pour leur efficacité et leur toxicité au sein des cellules. Les inhibiteurs les plus sélectifs, les plus efficaces et les moins toxiques seront retenus pour des expériences supplémentaires. Ensuite, d'éventuels effets hors-cible des inhibiteurs sur l'abondance des protéines seront détectés par une analyse à l'échelle du protéome. Cela permettra de déterminer si les grandes voies cellulaires sont surexprimées ou sous-régulées après traitement. Afin de vérifier plus avant la spécificité et d'obtenir des informations sur la localisation de la liaison, un autre objectif est d'identifier certains peptides conformotypiques, c'est-à-dire des peptides spécifiques des états lié et non lié, qui reflètent la liaison du médicament à sa cible, mais aussi aux cibles off-target. Enfin, le mode d'action des médicaments sera étudié afin d'observer les effets potentiels sur le désassemblage du protéasome, ainsi que la stœchiométrie de l'inhibiteur et la localisation de la liaison.
Conclusion
Ce projet vise à développer des inhibiteurs de troisième génération hautement sélectifs et efficaces des complexes i20S-PA28αβ et c20S-PA28γ. La modulation sélective de c20S-PA28γ offrirait une approche plus ciblée pour inhiber l'activité du protéasome dans le cancer, tandis que l'inhibition d'i20S-PA28αβ serait d'un grand bénéfice pour les patients atteints de maladies auto-immunes et inflammatoires telles que la polyarthrite rhumatoïde et les MICI. En conclusion, les résultats de ce projet de thèse apporteront des connaissances essentielles pour soutenir le développement de médicaments ciblant le protéasome, plus sélectifs et cliniquement pertinents.
Références
[1] Kniepert, A. and Groettrup, M. (2014) 'The unique functions of tissue-specific proteasomes', Trends in Biochemical Sciences, 39(1), pp. 17–24. Available at: https://doi.org/10.1016/j.tibs.2013.10.004.
[2] Morozov, A.V. and Karpov, V.L. (2018) 'Biological consequences of structural and functional proteasome diversity', Heliyon, 4(10), p. e00894. Available at: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2018.e00894.
[3] Dafun, A.S. et al. (2023) 'Establishing 20S Proteasome Genetic, Translational and Post-Translational Status from Precious Biological and Patient Samples with Top-Down MS', Cells, 12, p. 844. Available at: https://doi.org/10.3390/cells12060844.
[4] Guillaume, B. et al. (2010) 'Two abundant proteasome subtypes that uniquely process some antigens presented by HLA class I molecules', Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107(43), pp. 18599–18604. Available at: https://doi.org/10.1073/pnas.1009778107.
[5] Muchamuel, T. et al. (2009) 'A selective inhibitor of the immunoproteasome subunit LMP7 blocks cytokine production and attenuates progression of experimental arthritis', Nature Medicine, 15(7), pp. 781–787. Available at: https://doi.org/10.1038/nm.1978.
[6] Visekruna, A. et al. (2006) 'Proteasome-mediated degradation of IκBα and processing of p105 in Crohn disease and ulcerative colitis', Journal of Clinical Investigation, 116(12), pp. 3195–3203. Available at: https://doi.org/10.1172/JCI28804.
[7] Fabre, B. et al. (2014) 'Label-Free Quantitative Proteomics Reveals the Dynamics of Proteasome Complexes Composition and Stoichiometry in a Wide Range of Human Cell Lines', Journal of Proteome Research, 13(6), pp. 3027–3037. Available at: https://doi.org/10.1021/pr500193k.
[8] Boulpicante, M. et al. (2020) 'Tumors escape immunosurveillance by overexpressing the proteasome activator PSME3', Oncoimmunology, 9(1), p. 1761205. Available at: https://doi.org/10.1080/2162402X.2020.1761205.
[9] Basler, M. and Groettrup, M. (2020) 'Recent insights how combined inhibition of immuno/proteasome subunits enables therapeutic efficacy', Genes & Immunity, 21(5), pp. 273–287. Available at: https://doi.org/10.1038/s41435-020-00109-1.

Votre Environnement de Travail

L’Institut de Pharmacologie et de Biologie Structurale (IPBS) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l’Université de Toulouse, reconnue internationalement pour ses travaux en biologie moléculaire, biologie structurale, immunologie, microbiologie et cancérologie. Basé à Toulouse, l’institut rassemble plus de 250 personnels scientifiques et techniques au sein de 18 équipes de recherche et dispose de plateformes technologiques de pointe en protéomique, biophysique, imagerie et exploration fonctionnelle. Ses recherches visent à identifier et caractériser de nouvelles cibles thérapeutiques dans les domaines du cancer, des maladies infectieuses et des maladies inflammatoires, tout en favorisant l’innovation, les collaborations internationales et la formation par la recherche.
L'étudiant.e recruté.e sera co-encadré.e par deux chercheurs au sein de l'équipe de Proteomique et Spectrométrie de Masse des Biomolécules (Marcoux/Gonzalez).
Le projet vise à exprimer et purifier des complexes du protéasome qui seront utilisés pour identifier de nouveaux inhibiteurs.
Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Pas de risques particuliers associés à ce poste.

Rémunération et avantages

Rémunération

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Congés et RTT annuels

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Pratique et Indemnisation du TT

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À propos de l’offre

Référence de l’offre UMR5089-JULMAR-006 Section(s) CN / Domaine de recherche Biologie moléculaire et structurale, biochimie

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