La kedarcidine est une chromoprotéine antibiotique antitumorale isolée pour la première fois en 1992 à partir d’un actinomycète. Elle est composée d’un composé bicyclique énédiynique chromophore ainsi que d'une apolipoprotéine qui stabilise la toxine dans l’actinomycète. Comme les autres membres de la classe des énédiynes — ainsi nommée en raison de leur structure centrale à neuf ou dix chaînons portant une double liaison directement attachée à deux chaînes alkynyles — la kedarcidine a probablement évolué pour éliminer les bactéries en compétition avec l’organisme producteur. Toutefois, en raison de son mode d’action qui repose sur des dommages à l’ADN, la kedarcidine est également capable de détruire des cellules tumorales. De ce fait, elle fait l’objet de recherches scientifiques, tant pour sa complexité structurelle que pour ses propriétés anticancéreuses.
Découverte et élucidation de la structure
La kedarcidine est découverte en 1992 lors de tests biologiques réalisés par Bristol-Myers Squibb, qui révèlent la présence d’une chromoprotéine endommageant l’ADN dans le bouillon de fermentation d’un actinomycète. L’implication d’un chromophore non peptidique est déduite par spectroscopie UV, et une chromatographie en phase inverse est utilisée pour séparer ce chromophore, lié de manière non covalente, de son hôte apoprotéique. Cet isolat, appelé « chromophore de la kedarcidine », se décompose rapidement dans des conditions ambiantes et présente une cytotoxicité élevée (IC50 de 0,4 ng/ml sur la lignée cellulaire HCT-116, un carcinome colorectal humain).
Les expériences ultérieures de RMN, de spectrométrie de masse, de dégradation chimique et de dérivation permettent à l’équipe d’isolement d’identifier les principales caractéristiques structurales du chromophore de la kedarcidine, notamment le noyau bicyclique énédiynique, l’anneau chloropyridyl ponté ansa, les sucres mycarose et kedarosamine, ainsi que l’appendice naphtamide. Cependant, en raison de la complexité de la structure, le rapport initial contient plusieurs erreurs. Le noyau bicyclique se révèle particulièrement difficile à déchiffrer, car l’interprétation des corrélations de l'effet Overhauser nucléaire (NOE) conduit les chercheurs à mal assigner la stéréochimie relative de la stéréotétrade centrale. De plus, la configuration absolue globale étant attribuée sur la base des corrélations NOE entre le sucre L-mycarose stéréodéfini et l’aglycone, les erreurs concernant la stéréotétrade se propagent aux deux autres centres stéréogènes de l’aglycone. La connexion du groupe naphtamide au composé bicyclique est également mal jugée dans le rapport initial.
Ces erreurs sont corrigées par les efforts indépendants de synthèse organique menés par des chercheurs de l’université de Tohoku et de l’université Harvard. En 1997, en route vers la structure initialement rapportée, des chercheurs dirigés par Masahiro Hirama découvrent que les données spectroscopiques du dérivé chloroazatyrosyl (S)-α-aminoacide proposé ne sont pas compatibles avec celles du produit de dégradation caractérisé par Leet et al. À la place, un dérivé (R)-β-aminoacide est proposé et validé par le groupe de Hirama. Cette révision amène Hirama et al. à inverser également les autres centres stéréogènes de l’aglycone, produisant ainsi une structure révisée du chromophore de la kedarcidine, qui diffère uniquement par la stéréochimie relative du carbone porteur du mycarose, C10. Enfin, en 2007, Myers et ses collaborateurs synthétisent la structure proposée par Hirama et al., mais les données spectroscopiques RMN obtenues diffèrent de celles du produit naturel. Cette découverte conduit le groupe de Myers à réviser la stéréochimie du carbone porteur du mycarose, qui devient 10-(S).
thumb|center|Évolution des propositions de structure du chromophore de la kedarcidine
Mécanisme d'action
Comme les autres énédiynes, le chromophore de la kedarcidine comprend une structure centrale générant des radicaux libres destructeurs, ainsi que des appendices servant à délivrer cette « charge explosive » à sa cible ADN. Ainsi, le mécanisme général par lequel le chromophore de la kedarcidine endommage l’ADN est connu ; cependant, les détails de ce processus — en particulier la nécessité d’une activation nucléophile — font l’objet de débats.
700px|center|Équilibre entre le cœur du chromophore de la kedarcidine et son état biradicalaire cycloaromatisé selon Bergman.
Dommages à l'ADN par radicaux libres
thumb|right|Mécanisme proposé de clivage de l’ADN induit par le chromophore de la kedarcidine via abstraction du 4'-H
Le mécanisme commun à tous les antibiotiques énédiyniques repose sur la cyclisation de Bergman, dans laquelle la portion énédiynique subit une cycloaromatisation spontanée générant un biradical de type para-benzyne, hautement réactif vis-à-vis de l’abstraction homolytique d’un hydrogène depuis des donneurs appropriés, notamment les sucres désoxyribose de l’ADN. Cette abstraction génère un radical libre centré sur un atome de carbone de l’ADN, qui est ensuite oxydé par l’oxygène moléculaire. Le peroxyde résultant se décompose, provoquant des cassures simple ou double brin dans l’ADN, ce qui entraîne finalement la mort cellulaire.
Le chromophore de la kedarcidine se lie et clive l’ADN avec une forte spécificité de séquence, préférant les sites TCCTn-mer et produisant des cassures simple brin. Étrangement, bien que la structure du chromophore de la kedarcidine soit plus proche de celle du chromophore de la neocarzinostatine, sa spécificité de séquence est similaire à celle de l’antibiotique énédiynique calicheamicine, qui possède une structure différente. La sous-structure acide naphtoïque est impliquée dans la liaison à l’ADN, probablement via intercalation. De plus, l'ajout de cations divalents comme Ca2+ et Mg2+ réduit la capacité du chromophore de la kedarcidine à cliver l’ADN, probablement en raison de la chélatation du groupe acide naphtoïque, ce qui diminue son affinité pour l’ADN. Des expériences de compétition avec la nétropsine, un ligand connu du petit sillon de l’ADN, suggèrent que la kedarcidine se lie également dans le petit sillon.
thumb|right|Réduction par le borohydrure entraînant l’ouverture de l’époxyde et la cycloaromatisation de Bergman du chromophore de la kedarcidine. L'activation nucléophile « biochimique » analogue est initialement proposée dans le mécanisme d’action.
Activation nucléophile
L'addition nucléophile in vivo de thiolates sur le carbone C12 et l'ouverture consécutive de l’époxyde central sont supposées déclencher la cyclisation de Bergman dans le chromophore de la kedarcidine. Cette activation nucléophile est supposée réduire la contrainte de cycle associée à la formation du produit cycloaromatisé et ainsi favoriser le clivage de l’ADN par le chromophore de la kedarcidine. Lors des études d’isolement et de caractérisation structurale menées par Leet et al., la réduction du C12 par le borohydrure de sodium déclenche une cycloaromatisation rapide, facilitant ainsi l’étude du produit naturel instable. En conséquence, l’activation nucléophile au niveau du C12 est largement considérée comme un mécanisme potentiel de déclenchement de la cycloaromatisation in vivo.
250px|right|Contrainte de cycle associée à la double liaison C1-C12 dans le cœur du chromophore de la kedarcidine.
Des recherches récentes suggèrent toutefois que la cycloaromatisation spontanée du chromophore de la kedarcidine est un processus compétitif avec l’activation biochimique par nucléophiles, voire le mécanisme prédominant in vivo. Bien que les calculs MM2 montrent que la double liaison C1-C12 dans le noyau bicyclique induit une contrainte de cycle considérable (environ 14 kcal·mol−1) sur le tricycle [6,5,5] formé après cycloaromatisation-réduction, Hirama et al. observent que le noyau énédiynique fusionné 5,9 peut subir une cycloaromatisation-réduction même en l'absence d’agents activateurs thiolés et de donneurs d’hydrogène (hors solvant). De même, l’aglycone du chromophore de la kedarcidine subit une cycloaromatisation réductrice à des taux similaires en présence ou en l'absence de β-mercaptoéthanol, un réducteur thiolé courant. Dans un modèle expérimental, il est montré que le noyau bicyclique 5,9 du chromophore de la kedarcidine est en équilibre avec son biradical tricyclique 5,5,6 cycloaromatisé. Le taux de décomposition pseudo-premier ordre de ce modèle énédiynique est fortement influencé par la capacité donneuse d’hydrogène du solvant, suggérant que l’étape d’abstraction d’hydrogène après formation du biradical est cinétiquement déterminante, contrairement aux systèmes acycliques, où la formation du biradical est généralement l’étape limitante. Il est à noter que parmi les solvants étudiés, le tétrahydrofurane — un homologue structurel du désoxyribose — provoque une décomposition rapide de l’architecture énédiynique fusionnée 5,9 (t½ = 68 min). Zein et al. observent de manière indépendante que l’abstraction d’hydrogène en 4' du désoxyribose est probablement impliquée dans la bioactivité du chromophore de la kedarcidine.
Synthèse du chromophore épi-kedarcidine
En 2007, Myers et ses collaborateurs de l'université Harvard rapportent la synthèse du chromophore épi-kedarcidine C10, qui correspond à la structure révisée en 1997 par Hirama et al.. L’approche synthétique repose sur une analyse rétrosynthétique ciblant un assemblage convergent de fragments de complexité similaire. Plusieurs défis majeurs sont rencontrés au cours de cette synthèse, ainsi que les stratégies employées pour les résoudre.
thumb|center|Approche rétrosynthétique du chromophore épi-kedarcidine C10 employée par Ren, Hogan, Anderson et Myers (2007).
Instabilité inhérente du noyau énédiynique
L’instabilité du système énédiynique face aux voies de décomposition par cyclisation de Bergman–réduction constitue un défi majeur pour toute tentative de synthèse des énédiynes. Myers et ses collaborateurs surmontent ce problème en réalisant l’installation tardive de l’alcène par déshydratation. En l'absence de cette insaturation reliant les deux chaînes alkynyles, les intermédiaires synthétiques ne sont pas sujets à une décomposition de type Bergman, ce qui réduit considérablement le risque de dégradation. Dans ce cas, la déshydratation d’un alcool propargylique est induite par traitement avec le sulfurane de Martin.
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Stéréochimie de l’époxyde
Dans la synthèse du chromophore épi-kedarcidine C10, Myers et al. cherchent à introduire la fonctionnalité époxyde en **syn** par rapport au groupe hydroxyle adjacent en C10. Cette transformation est réalisée par une époxydation catalysée par le vanadium, dirigée par le groupe hydroxyle en C10Rossiter, B. E.; Verhoeven, T. R.; Sharpless, K. B. Tetrahedron Lett. 1979, 20, 4733.. Si l'épimère naturel C10-(S) avait été ciblé, une protection par trialkylsilyle du groupe hydroxyle en C10 aurait pu conduire au produit époxydé du côté opposé en raison de l'obstruction stérique de la face β de l’alcène. Toutefois, en l’absence de groupement dirigeant accélérant l’oxydation d’une insaturation voisine, cette approche aurait probablement entraîné une mauvaise régiosélectivité, avec une oxydation compétitive d'autres doubles liaisons C=C présentes dans la molécule.
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Construction du noyau bicyclique