Inhibition des kinases et phosphatases : Mécanismes et applications

Introduction : Généralités sur les kinases

Les kinases sont des enzymes qui transfèrent un groupe phosphate de l'ATP vers un résidu alcool (Sérine, Thréonine, Tyrosine) d'un substrat.

Découverte et Rôle

• Découvertes en 1950 par E. Krebs et E. Fischer (Prix Nobel 1992).

• Rôles centraux dans :

  • La transduction du signal

  • Le cycle cellulaire

  • La réparation de l'ADN

  • La transcription

  • La régulation métabolique

  • L'angiogenèse

  • La réponse immunitaire et l'inflammation

Classification des Kinases

Le kinome humain compte 518 kinases, représentant 2% du génome humain. Elles sont classées en plusieurs familles :

• Sérine/Thréonine kinases (388)

• Tyrosine kinases (90)

• Kinases sans site fonctionnel (40) : appelées pseudokinases, elles ont des rôles structuraux ou régulateurs.

Il existe des kinases cytosoliques (ex: CDKs, MAPK) et des récepteurs à activité kinase (ex: VEGF-R, EGF-R) qui jouent un rôle clé dans les cascades de phosphorylation, notamment dans l'angiogenèse et le cancer.

Les kinases sont regroupées en 7 familles principales, visualisables sous forme d'arbres phylogénétiques :

• TK : Tyrosine Kinase

• TLK : Tyrosine Kinase Like

• STE : Stérilité (délétion)

• CK1 : Caséine Kinase 1

• AGC : Protéines kinases A, G et C

• CAMK : Kinases Ca2+/Calmoduline dépendantes

• CMGC : Cyclin Dependent Kinases (CDKs), Mitogen-Activated Protein Kinases (MAPKs), Glycogen Synthase Kinases (GSK)

Cette classification permet de repérer l'empreinte digitale des inhibiteurs, car les kinases ciblées par un même inhibiteur se regroupent souvent dans la même famille.

Structure Générale d'une Kinase

Les kinases possèdent une architecture bilobée :

• Lobe N-terminal : Riche en feuillets β, impliqué dans la fixation de l'ATP.

• Lobe C-terminal : Composé principalement d'hélices α, impliqué dans la reconnaissance du substrat.

• Poche ATP : Site catalytique situé entre les deux lobes.

• Boucle d'activation : Peut adopter deux conformations (ouverte ou fermée).

• Motif DFG (Aspartate-Phenylalamine-Glycine) : Coordonne la fixation de l'ATP et l'activité catalytique.

La structure commune des kinases permet le développement d'inhibiteurs non spécifiques.

Le magnésium (Mg²⁺) est essentiel pour l'activité catalytique. L'ATP possède trois phosphates chargés négativement. Le Mg²⁺ neutralise ces charges, permettant l'attaque nucléophile du résidu hydroxyle du substrat.

Mécanisme de Phosphorylation

1. Attaque du phosphate terminal de l'ATP par le résidu hydroxyle (Ser/Thr/Tyr) activé par un acide (Asp/Glu).

2. Renforcement de la nucléophilie de l'alcool.

3. Transfert du phosphate, libérant de l'ADP.

C'est une réaction analogue à une transestérification.

La Boucle d'Activation

La boucle d'activation est cruciale pour l'activité de la kinase et existe sous deux conformations :

• Conformation OUT (inactive) : La boucle occulte la poche ATP, bloquant l'accès.

• Conformation IN (active) : La boucle se déplace, ouvrant la poche ATP et permettant la fixation de l'ATP et du substrat.

La conformation de cette boucle est déterminante pour l'action des inhibiteurs.

Cas Particulier : CDK (Cyclin-dependent kinases)

Découvertes dans les années 1980 (Prix Nobel 2001 : Hartwell, Nurse, Hunt).

• Particularités :

  • Actives uniquement en complexe avec une cycline (hétérodimères).

  • Petite taille.

  • Les cyclines régulent le cycle cellulaire.

• Structure :

  • Domaine catalytique classique.

  • Hélice α spécifique (PSTAIRE) pour l'interaction avec la cycline.

  • L'association cycline-CDK ouvre la poche ATP (déplacement de Thr 160 et Lys 33).

• Importance clinique : Cibles thérapeutiques majeures en oncologie et pour d'autres pathologies.

Inhiber les kinases : les 6 types d'inhibiteurs

Les inhibiteurs de kinases peuvent être classés en plusieurs types selon leur mode de liaison et leur impact sur la conformation de la kinase.

Inhibiteurs Compétitifs de l'ATP

Ces inhibiteurs se fixent dans le site actif de la kinase, en compétition avec l'ATP. Ils sont de deux types principaux :

• Type I : Se fixent à la kinase en conformation active (DFG-IN).

• Type II : Se fixent à la kinase en conformation inactive (DFG-OUT).

Il existe également des inhibiteurs allostériques qui se fixent loin du site actif, induisant des changements conformationnels.

Zones de la Poche ATP

La poche ATP comprend trois régions principales :

1. Hétérocycle Adénine : Responsable des liaisons hydrogène avec le "hinge" (charnière), mimées par les inhibiteurs.

2. Sucre

3. Chaîne triphosphate : Stabilisée par Mg²⁺ et liaisons hydrogène/eau.

Deux poches hydrophobes adjacentes à la poche ATP (Région I & II) sont utilisées pour améliorer la stabilité, l'efficacité ou la sélectivité des inhibiteurs.

BCR-ABL : Contexte Biologique et Thérapeutique

BCR-ABL est une kinase oncogène résultant d'une translocation chromosomique (9;22), formant le chromosome Philadelphie. Cette kinase chimérique est constitutivement active et est un oncogène majeur de la leucémie myéloïde chronique (LMC).

• Conséquences cellulaires : Activation de voies de signalisation, prolifération anarchique, dérégulation du cycle cellulaire, résistance aux agents cytotoxiques.

• Objectif thérapeutique : Inhiber BCR-ABL pour restaurer un contrôle normal de la prolifération.

Premier Inhibiteur : Imatinib (Type II)

L'Imatinib est le premier inhibiteur de kinase commercialisé (début des années 2000), ciblant BCR-ABL et d'autres tyrosine kinases. Il se fixe dans la poche ATP (antagoniste compétitif) et bloque la kinase.

• Structure :

  • Base : phényl-amidino-pyrimidine (motif non spécifique).

  • Mimétisme de l'adénosine (ATP) via des interactions hydrogène.

  • Amine secondaire aromatique : renforce les liaisons H avec le domaine charnière.

• Optimisation structurale :

  • Ajout d'une pyridine : améliore la pénétration cellulaire.

  • Fonction amide : meilleure affinité pour les tyrosine kinases.

  • "Méthyl magique" : modifie la conformation, augmentant la sélectivité.

  • Motif N-méthyle pipérazine : forme des sels, augmentant la solubilité.

• Résultat : L'Imatinib est un inhibiteur de type II (bloque la conformation OUT), antagoniste de l'ATP, avec une activité cellulaire augmentée, une sélectivité accrue pour Bcr-Abl, et une meilleure biodisponibilité orale.

Limites : Mutations de BCR-ABL

Des mutations de résidus interagissant avec l'Imatinib peuvent entraîner une résistance, car la modification de la conformation de l'enzyme empêche la fixation de l'inhibiteur. Cela a conduit au développement de nouvelles générations d'inhibiteurs.

Dasatinib : Inhibiteur de 2e Génération (Type I)

Développé initialement contre la kinase SRC, le Dasatinib a montré une activité encore meilleure sur BCR-ABL.

• Structure : Motif mimant l'adénosine (amine secondaire avec deux noyaux aromatiques, N intracycliques). C'est un antagoniste compétitif de l'ATP.

• Conformation ciblée : Se lie à la kinase en conformation IN (poche ATP ouverte), contrairement à l'Imatinib.

• Interactions : Moins de liaisons H que l'Imatinib, ce qui lui permet de mieux tolérer certaines mutations. Les mutations affectant les résidus critiques pour l'Imatinib n'affectent pas le Dasatinib.

• Utilité clinique : Inhibe les kinases BCR-ABL mutées résistantes à l'Imatinib (autorisation en 2006).

Comparaison Imatinib vs Dasatinib

Le tableau suivant résume les différences clés :

Ces différences essentielles permettent au Dasatinib de contourner les résistances à l'Imatinib.

Polypharmacologie et Arbre du Kinome

L'arbre du kinome permet de visualiser les kinases inhibées par un composé. Le Dasatinib, par exemple, montre une sélectivité majoritaire pour les tyrosine kinases mais peut toucher d'autres cibles. Cette polypharmacologie (un inhibiteur multi-cible) est utile car :

• Les cellules tumorales utilisent plusieurs kinases.

• Elle réduit les risques de résistance.

• Elle peut éviter de prescrire plusieurs médicaments.

Récepteurs à Activité Kinase (RTK)

Les RTK sont des récepteurs transmembranaires avec une activité tyrosine kinase intracellulaire, activés par des ligands (ex: VEGF). Ils peuvent être inhibés de deux manières :

1. Empêcher la fixation du ligand (extracellulaire) : ex. anticorps monoclonaux (Bevacizumab).

2. Bloquer l'activité kinase intracellulaire : ex. petits inhibiteurs de kinases (ITK) comme Sunitinib, Sorafenib.

VEGF-R : Cible Thérapeutique Majeure

Le VEGF-R est un récepteur clé de l'angiogenèse, de la croissance tumorale et métastatique. Il existe 3 types (VEGFR-1, -2, -3), cibles privilégiées en cancérologie.

Sorafenib : Premier Inhibiteur RTK (Type II)

Développé initialement contre la Raf-kinase, le Sorafenib a été optimisé pour une puissance élevée (IC₅₀ de 17 μM à 6 nM). Il a obtenu son AMM en 2005.

• Mécanisme (Type II, DFG-OUT) : Le Sorafenib pénètre dans la poche ATP et déplace la boucle DFG vers la conformation OUT, fermant la poche ATP. Le phényle terminal du Sorafenib bloque la boucle DFG, empêchant la fixation de l'ATP et la phosphorylation, ce qui freine la croissance tumorale.

• Sélectivité : Inhibe certaines kinases cytosoliques et plusieurs RTK (VEGF-R, PDGF-R), restant poly-sélectif mais orienté RTK.

Sunitinib : Autre Inhibiteur RTK de Type II

Dérivé du motif oxindole, le Sunitinib a été optimisé pour une meilleure sélectivité. Il a obtenu son AMM en 2006.

• Mécanisme : Se fixe dans le site ATP fermé, agissant comme un inhibiteur de Type II (DFG-OUT).

• Propriétés : Inhibiteur multi-kinases (RTK + kinases cytosoliques), très utilisé en cancérologie (rein, GIST).

Inhibiteurs Allostériques

Ces inhibiteurs ne sont pas compétitifs de l'ATP et se fixent à des sites distincts du site actif.

• Type III (Allostérique Proximal) : Se fixe à un site proche de la poche ATP mais distinct.

  • Exemple : Selumetinib (MEK, 2021). Il se fixe dans une poche adjacente à l'ATP.

  • Sensible aux mutations proches du site allostérique (ex: mutation de la cystéine en leucine).

  • Données biologiques : Toxicité sélective sur cellules tumorales, induction d'apoptose, efficacité augmentée en association avec des agents génotoxiques.

• Type IV (Allostérique Distal) : Se fixe à un site éloigné de la poche ATP, souvent dans le domaine C-terminal.

  • Exemple : Sirolimus (Rapamycine) et Everolimus (mTOR).

  • Origine : Rapamycine isolée de Streptomyces hygroscopicus (île de Pâques, 1964).

  • Mécanisme : Molécule "glue moléculaire". Une partie se lie à FKBP12 (protéine partenaire), l'autre se fixe sur mTOR dans un site très éloigné de l'ATP. L'inhibition nécessite la formation d'un complexe ternaire (mTOR - FKBP12 - rapamycine).

  • Propriétés biologiques : Immunosuppresseur puissant, inhibiteur de prolifération, inducteur d'autophagie, faible toxicité.

Inhibiteurs de Type VI (Covalents)

Ces inhibiteurs se lient de manière covalente à la kinase, formant une liaison irréversible. Bien que peu nombreux historiquement, leur développement est en forte expansion. L'aspirine est un exemple d'inhibiteur covalent.