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Development of Planar Extended Ligand-Based Ruthenium(II) Complexes for the Detection via Light-Up Effect and Covalent Photoaddition to G-quadruplexes

par Jiang, Julie
Président du jury Raussens, Vincent
Promoteur Moucheron, Cécile
Publication Non publié, 2025-07-04

Thèse de doctorat

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Résumé :

Le cancer demeure l’une des principales causes de mortalité à l’échelle mondiale, ce qui entraîne le développement constant de nouvelles approches thérapeutiques. Parmi les cibles explorées ces dernières années figurent les G-quadruplexes, des séquences d’ADN ou d’ARN riches en guanines présentes notamment dans les télomères et les régions promotrices des oncogènes. Ces structures jouent un rôle dans la régulation de processus biologiques clés tels que la réplication et la transcription. A ce jour, diverses petites molécules organiques et des complexes métalliques ont été conçus pour cibler ces structures, notamment les complexes polyazaaromatiques de ruthénium(II). Ces derniers présentent des propriétés photophysiques modulables via la structure des ligands ancillaires, leur permettant d’agir comme photosondes ou agents photoactifs. Des travaux pionniers ont été menés par J. K. Barton, qui a mis en évidence l’effet « light-switch » du [Ru(bpy)2dppz]2+, dont la luminescence est restaurée par l’intercalation du ligand dppz entre les paires de bases de l’ADN. Dans ce contexte, les recherches se sont progressivement orientées vers le développement de complexes de ruthénium(II) ciblant les structures de G-quadruplexes. Le Laboratoire de Chimie Organique et Photochimie (COP) possède une expertise reconnue dans ce domaine, notamment dans la conception de complexes photoactifs, portant deux ligands π-accepteurs. Ces derniers sont capables de subir un transfert d’électron photoinduit avec les acides nucléiques ou les protéines, menant à la formation d’une liaison covalente avec la base la plus réductrice de l’ADN, la guanine. Ce travail de thèse s’inscrit dans cette thématique et porte sur le développement et l’étude de complexes de ruthénium(II) incorporant soit le ligand phen (1,10-phénanthroline), soit le ligand π-déficient TAP (1,4,5,8-tétraazaphénanthrène), associés à un troisième ligand plan étendu. L’influence de la géométrie, de la taille du ligand ainsi que de nombre et de la position d’atomes d’azotes a été évaluée. Après leur synthèse et leur caractérisation, les propriétés photophysiques fondamentales de ces complexes ont été étudiées. Les complexes de type [Ru(phen)2(N^N)]2+ ont ensuite été évalués pour leur interactions avec des G-quadruplexes, en combinant des approches in vitro, in silico et en cellules. Les analyses biophysiques ont inclus des études de dénaturation (FRET melting) de dichroïsme circulaire (CD), des titrages de luminescence, des calculs théoriques (docking et dynamique moléculaire), ainsi qu’une analyse préliminaire par spectrométrie de masse (ESI-MS). En parallèle, des études plus appliquées ont été menées, telles que des essais de viabilité cellulaire et des expériences de marquage de G4, en collaboration avec le Dr. David Monchaud (Université Bourgogne Europe). Enfin, les propriétés photoactives des complexes asymétriques [Ru(TAP)2(N^N)]2+ ont été étudiées en présence de la 5’-GMP et la séquence hTel afin d’évaluer leur capacité à former des photoadduits covalents suite à l’irradiation.

Cancer remains a predominant cause of mortality globally, prompting continuous advancements in therapeutic strategies. Over the last decades, a notable focus in anti-cancer drug design has been targeting non-canonical guanine-rich DNA or RNA sequences, capable of folding into G-quadruplexes (G4s). Due to their prevalence in human telomeres and oncogene promoter regions, these particular structures are involved in regulating key biological processes such as replication and transcription.To date, various organic small molecules and transition metal complexes have been designed to specifically target G-quadruplexes. Among these, extensive research has been conducted on ruthenium(II) polypyridyl complexes, particularly owing to their role as DNA luminescent probes or photoactive agents. The appeal of these coordination compounds arises in their tunable optical and electronic properties, which can be precisely adjusted by modifying the structure of the chelating diimines. Pioneering work was conducted by J. K. Barton’s group, which identified the “light-switch” effect of [Ru(bpy)2dppz]2+ and [Ru(phen)2dppz]2+ upon interaction with duplex DNA, marking a significant milestone in the use of Ru(II) polypyridyl complexes as DNA luminescent probes. These complexes, which are not luminescent in water, exhibit significant luminescence in DNA-containing aqueous solutions, resulting from the strong binding affinity through the intercalation of the dppz ligand between base pairs. Within this context, research has shifted towards developing ruthenium(II) polypyridyl complexes as luminescent probes and, in recent decades, exploring their potential for labeling G-quadruplexes.The Laboratory of Organic Chemistry and Photochemistry (LCOP) has developed strong expertise in the design and investigation of Ru(II) polypyridyl complexes within biological contexts. Notably, the LCOP has developed a long-standing interest in photoactive Ru(II) complexes incorporating two ligands of π-accepting character, capable of undergoing photoreactions with nucleic acids or proteins through the intermediate of a photoinduced electron transfer (PET) mechanism. This process can consequently lead to the formation of a covalent bond between the complex and the most oxidizable DNA base, guanine.The work presented in this thesis focuses on the development of novel ruthenium(II) complexes incorporating either phen (1,10-phenanthroline) or the π-deficient TAP (1,4,5,8-tetraazaphenanthrene) ancillary ligands, along with a third planar ligand of slightly asymmetrical geometry. For comparative purposes, previously reported Ru-phen complexes bearing symmetrical ligands with varying degrees of planarity, ranging from tetracyclic to heptacyclic, were also synthesized, to assess the influence of ligand geometry, size, and the number and position of nitrogen atoms. Following their synthesis and characterization, the fundamental photophysical properties of these complexes were evaluated. The [Ru(phen)2(N^N)]2+ complexes were consequently studied in the presence of DNA and RNA G-quadruplexes using a multidisciplinary approach of in vitro, in silico, and in-cell methodologies. The biophysical analyses included FRET melting assays, circular dichroism spectroscopy, luminescence titrations, molecular dynamics simulations, and electrospray ionization mass spectrometry. Concomitantly, more applied studies such as cell viability assays and click chemistry-based G4 labeling experiments were conducted in collaboration with D. Monchaud at the Université Bourgogne Europe (UBE). Finally, the photoactive properties of the asymmetrical [Ru(TAP)2(N^N)]2+ complexes were evaluated in the presence of 5’-GMP and the hTel sequence to assess their ability to form covalent photoadduct upon irradiation.