Thèse Comprendre et Moduler les Propriétés Cellulaires des Ligands de G-Quadruplex H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : BSB - Biologie, Santé, Biotechnologies Laboratoire de recherche : IPBS - Institut de Pharmacologie et Biologie Structurale Direction de la thèse : Dennis GOMEZ ORCID 0000000199421451 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Les G-quadruplexes (G4) sont des structures non conventionnelles des acides nucléiques reconnues par de petites molécules appelées ligands G4. Bien que certains ligands présentent des affinités similaires pour les G4 in vitro, leurs effets cellulaires et leur toxicité peuvent différer considérablement. Comprendre cette diversité est essentiel pour développer des molécules aux propriétés biologiques mieux maîtrisées.
Les travaux de l'équipe Britton ont montré que deux ligands de référence, le CX-5461 et la pyridostatine, exercent leur cytotoxicité par empoisonnement de la topoisomérase II (TOP2A) au niveau des G4. Des résultats préliminaires indiquent toutefois que des analogues proches agissent indépendamment de TOP2A, suggérant que de faibles modifications chimiques peuvent modifier profondément leur mécanisme d'action.
Ce projet doctoral vise à relier la structure chimique des ligands G4 à leurs effets cellulaires afin de guider leur conception rationnelle. Il s'appuiera sur des ligands de référence et sur deux familles développées par l'équipe Petitjean : les TAC, qui induisent des cassures double brin de l'ADN et renforcent les dommages associés aux radiations, et les PtP2, dont un composé inhibe la réplication du virus de l'hépatite D tout en préservant la viabilité des cellules hôtes.
Une caractérisation comparative permettra de classer les ligands selon leur cytotoxicité, les dommages à l'ADN, leur dépendance à TOP2A et leurs effets sur la réplication et la transcription. Des approches génétiques, transcriptomiques, biochimiques et structurales permettront ensuite d'identifier les mécanismes responsables de ces réponses. Ces connaissances guideront la synthèse de nouveaux dérivés, dont la localisation et les partenaires protéiques seront étudiés par imagerie à super-résolution et chimioprotéomique.
La thèse sera codirigée par les équipes du Dr Britton (IPBS, Toulouse) et du Dr Anne Petitjean (Queen's University, Canada), avec la contribution du Dr David Monchaud (ICMUB, Dijon) pour la synthèse de ligands G4 de référence et de leurs dérivés. Le projet établira des principes de conception permettant de moduler l'activité et la toxicité des ligands G4, au bénéfice de leur développement thérapeutique.
G-quadruplexes (G4s) are non-canonical secondary DNA structures formed by guanine-rich sequences that can be selectively recognized by small molecules known as G4 ligands (Figure 1). Although many G4 ligands exhibit comparable binding affinities and selectivity toward G4 structures in vitro, they often display markedly distinct biological effects in cellular contexts, including variable levels of cytotoxicity. These diverse biological activities have positioned G4 ligands as promising candidates for therapeutic applications in oncology, neurodegenerative disorders, viral infections, and parasitic diseases. However, the translation of these compounds into clinically viable therapeutics remains limited by an incomplete understanding of the molecular determinants underlying their cellular effects and associated toxicities.
Works from our group, using an unbiased functional approach, demonstrated that the cytotoxicity of two prototypical G4 ligands-CX-5461 (currently evaluated in phase I/II clinical trials) and pyridostatin (PDS)-is mediated by poisoning of DNA topoisomerase II (TOP2A) at G4 sites (1). Importantly, we also established that certain structurally related ligands, including a close analogue of PDS, do not induce cytotoxicity through TOP2A, indicating that minor structural modifications can critically influence their mechanism of action (unpublished data).
The central goal of this PhD project is to establish a comprehensive mechanistic framework linking the chemical structure of G4 ligands to their cellular activities. Specifically, the project aims to:
- Classify representative G4 ligands based on their cellular phenotypes
- Elucidate, at molecular and structural levels, why certain ligands poison TOP2A while others do not
- Identify alternative mechanisms driving cytotoxicity in non-TOP2A-targeting ligands
- Demonstrate that the biological properties of G4 ligands can be rationally tuned through chemical design
The project will employ a broad range of advanced techniques, including:
- High- and super-resolution imaging (e.g., 3D-SIM)
- Click chemistry-based imaging
- Genome editing (CRISPR/Cas9, base Editing)
- RNA interference (siRNA)
- Flow cytometry
- RNA sequencing (RNA-seq)
- Analysis of DNA replication and transcription dynamics
- Isolation of resistant cell lines