L'Institut de Chimie des Substances Naturelles

Le CNRS àGif-sur-YvetteThe CNRS atGif-sur-YvetteFondé en 1939, le CentreNational de la Recherc h eScientifique (CNRS) couvrel'ensemble des domaines de lascience française.Le CNRS compte enviro n3 0 0 0 0 personnes répart i e sdans plus de 1 200 unités dere c h e rche et son budget re p r é-sente 1/4 du budget civil dere c h e rche et de développementtechnologique.Le CNRS, présent dans toutesles régions de France, possèdedepuis 1946 à Gif-sur- Yv e t t el'un des plus beaux fleurons deson patrimoine : un domainede 67 hectares dans la Va l l é ede Chevreuse où sont implantées11 unités de recherche.Founded in 1939, the NationalCenter for Scientific Researc h(CNRS) covers all fields ofFrench science.The CNRS employs aro u n d30.000 persons working inover 1.200 re s e a rch units witha budget re p resenting oneq u a rter of the civil budget forre s e a rch and technologicaldevelopment.The CNRS is present in allregions of France and thel a rge Gif-sur- Yvette estatea c q u i red in 1946 is cert a i n l yone of its most beautiful sites: 67 hectares in the scenicC h e v reuse Valley surround 11different research institutes.L'Institut deChimie desSubstancesNaturellesThe Institut deChimie desSubstancesNaturellesL’ICSN, l’une de ces unités, estle plus grand établissementpublic de re c h e rche en chimiede France.Pierre Potier Jean-Yves LallemandICSN - Bâtiment 27One of these re s e a rch units,the ICSN, is the largest staterunre s e a rch institute forchemistry in France.Dans ce bâtiment de 7000 m 2créé en 1959, travaillent prèsde 300 personnes.Nearly three hundred peoplework in this 7000 m 2 buildingconstructed in 1959.Les équipes de l'ICSN poursuiventdes re c h e rches qui se rattachentà quatre domaines :• Chimie organique des moléculescomplexes,• P roduits naturels et chimiemédicinale,• Chimie et biologie stru c t u-rales,• Chimie et biologie de ciblesthérapeutiques.Médaille d’OrICSNInstitut de Chimie des Substances NaturellesUPR 2301 du CNRS • Bâtiment 271, avenue de la Terrasse91198 Gif-sur-Yvette cedex • FRANCEThe scientists at the ICSN carryout research in four differentareas :• O rganic synthesis of complexmolecules,• Natural products andmedicinal chemistry,• S t ructural chemistry andbiology,• Chemical and biologicala p p roaches to therapeutictargets.

Synthèse & MéthodologieSynthetic & Methodological approachesBeaucoup de médicaments trouvent leur origine dans la découverte de substances naturellesaux activités biologiques originales. Pour les obtenir en quantités raisonnables, ilfaut trouver de nouvelles approches synthétiques efficaces. C’est aussi le cas pour obtenirdes analogues dans le cadre général de la chimie médicinale. Le développement de lasynthèse organique est donc indispensable dans ce contexte.Il faut ainsi tout à la fois allier une recherche fondamentale en synthèse concernant lad é c o u v e rte de nouveaux procédés à des approches originales en synthèse totale et contribuerà la production de molécules qui viennent enrichir la "chimiothèque".Ainsi plusieurs produits naturels ont fait, ou font l'objet de travaux en synthèse totale :galanthamine, taxol, manzamine A, iridal, xanthochymol, dolastatine, RP-66453...Il s’agit aussi de trouver de nouveaux outils synthétiques, c'est-à-dire de nouvellesméthodes plus efficaces, plus douces, plus sélectives mais aussi plus respectueuses del'environnement. Des réactions multi-composants, des stratégies “domino” ainsi quede nouvelles méthodologies faisant appel à des réactions catalysées par des métaux detransition comme le titane, le palladium ou le cuivre, sont ainsi développées.Many drugs find their origin in the discovery of new natural products possessingoriginal biological activities. The structure of these molecules is generally verycomplex and, in addition, they are often produced in minute quantities, precludingextensive pharmacological studies. Analogues are also required in order tooptimize a target activity. This increasing need for new and complex substancesstimulates active research in organic synthesis at the ICSN.This research combines fundamental studies – new procedures as well as totalsyntheses following original pathways – with the production of an ICSN chemicallibrary. A large part of this activity is devoted to the synthesis of natural products:galanthamine, taxol, manzamine A, iridal, xanthochymol, dolastatin RP-66453...At the same time new synthetic tools are developed. Particular efforts are madeto find more efficient and milder methods which are environmentally friendly.This, for example, involves “domino“or multicomponent transformations as wellas methodological approaches to reactions catalyzed by transition metals such astitanium, palladium or copper.IridalGalanthamineDolastatineManzamine A

Substances Naturelles & Chimie MédicinaleNatural Products & Medicinal ChemistryDeux réussites majeures de l’ICSN dans le domainede la santé résultent d’une collaboration avecdes laboratoires pharmaceutiques (LaboratoiresPierre Fabre et Aventis).La vinorelbine (Navelbine ® ) et le docetaxel(Taxotere ® ) utilisés en chimiothérapie anticancéreuseont été synthétisés à partir de moléculesnaturelles issues respectivement de la pervenchede Madagascar (Catharanthus roseus) et de l’ifeuropéen (Taxus baccata).Justicia patentiflora collected in VietnamNegombata magnifica collected fromthe Red SeaTwo major successes at the ICSN in publichealth have been realized in collaborationwith pharmaceutical laboratories (PierreFabre Laboratories and Aventis). Vinorelbine(Navelbine ® ) and docetaxel (Taxotere ® ) aretwo anticancer drugs that have been synthesizedfrom compounds isolated from theMadagascan periwinkle (Catharanthusroseus) and the yew tree (Taxus baccata),respectively.Substances NaturellesLes matières pre m i è res (plantes, organismes marins,bactéries du sol) sont récoltées dans diff é rents pays(Nouvelle-Calédonie, Vietnam, Malaisie, Fidji,Maurice, Maroc…) riches en biodiversité. Le PôleS u b s t a n c e sN a t u relles (PSN) a pour fonction de prépa rer les extraits bruts et de les fractionner. Lesextraits et fractions purifiés vont ainsi contribuerà l’enrichissement de la collection Extractothèque.Différents criblages sur cellules ou cibles enzymatiquessont réalisés à l’ICSN ou en partenariat avecdes laboratoires publics et privés. Les fractions activessont analysées (LC/MS) et purifiées pour conduireaux composés actifs dont les stru c t u res sontd é t e rminées par diff é rentes méthodes spectro s-copiques (RX, RMN à haut champ, spectro m é t r i ede masse etc…).Antimitotic biaryls, inhibitors of tubulin assemblyCalhex 231, an antagonist of the calciumsensing receptorNatural productsRaw materials are collected from variouss o u rces in many countries (New Caledonia,Vietnam, Malaysia, Fiji, Mauritius, Moro c c o … ) .C rude natural extracts and fractions are prepa red by the Natural Products Teams. Theseextracts and purified fractions are continuallyadded to the natural products library.S c reening of biological activities is realized onvarious targets within the ICSN or within theframework of collaborations with public orprivate laboratories. Active fractions are furtheranalyzed (LC/MS) and purified.The stru c t u re of the active compounds is determinedusing a variety of spectroscopic tools(X-ray diffraction, NMR, mass spectrometry).Chimie MédicinaleMedicinal ChemistryPlusieurs thèmes de re c h e rche sont développés : lessubstances hétérocycliques interagissant avec leSNC, les inhibiteurs de l’acétylcholinestérase d’originenaturelle (ex: galanthamine), les inhibiteursdes récepteurs séro t o n i n e rgiques, les inhibiteurs dusystème tubuline - microtubules (biaryles, xanthochymol),les inhibiteurs du protéasome, les inhibiteursde la farnésyltranférase, les antagonistes durécepteur au calcium (ex: Calhex 231), la synthèsede métabolites cytotoxiques d’origine marine et lasynthèse biomimétique, la métabolisation de moléculesd’intérêt biologique et/ou thérapeutique.Xanthochymol, inhibitor of microtubules disassemblyisolated from Garcinia spp.Diketopiperazine isolated from theMediterranean sponge Axinella vaceletiSeveral re s e a rch areas are studied: hetero c y c l i csubstances interacting with the nervous system,acetylcholinesterase inhibitors (galanthamine),inhibitors of sero t o n i n e rgic receptors, inhibitorsof the tubulin - microtubules system (biary l s ,xanthochymol), proteasome inhibitors, farn e s y ltransferase inhibitors, ligands of the calciumsensing receptor (ex : Calhex 231), synthesis ofmarine cytotoxics and biomimetic synthesis, biotransformationof bioactive molecules.Natural and Chemical LibrariesExtractothèque et ChimiothèqueDes milliers d’extraits de plantes tropicales ont étéfractionnés et répartis en plaques multipuits. Unensemble de produits chimiques d'origine nature l-le ou synthétique a été constitué à partir des collectionsde molécules de chaque équipe de l'ICSN.The natural products library is constituted ofthousands of tropical plant extracts from awide range of origins which have been fractionatedand stored in multi-well plates.A library of natural and synthetic compoundshas also been constituted from the collectionsof individual ICSN chemistry teams.Three-dimensional structure of acetylcholinesterasewith galanthamineZygogynum sp collected in New Caledonia

Chimie & Biologie StructuralesStructural Chemistry & BiologyLes nombreux travaux réalisés en chimie et biologie s'appuient sur un fort potentielde méthodes physiques : spectrométrie de masse, résonance magnétiquen u c l é a i re (RMN), cristallographie par diffraction des rayons X… Les équipes stru c-turées autour de ces diff é rentes techniques off rent un support extrêmement utileaux chimistes et biologistes (analyse de mécanismes, détermination de stru c t u-res…). Le niveau exceptionnel de l’équipement permet de mener des re c h e rc h e sde pointe dans diff é rents domaines.En parallèle de développements méthodologiques spécifiques, des re c h e rches sontmenées sur des thèmes communs dans le domaine de la pathologie humaine.La cristallochimie permet l'étude des sites actifs et des processus de catalyse desm a c romolécules biologiques. Elle permet aussi des travaux dans le domaine del ' é l e c t ronique et de la photonique moléculaire ou des cristaux liquides.Les applications de la spectrométrie de masse se situent principalement dans ledomaine de l'analyse de processus enzymatiques et de voies biochimiques aumoyen d'approches protéomiques. Le développement de nouveaux modes d'ionisationdédiés à l'analyse de protéines membranaires, ainsi que la mise au pointd ' a p p roches originales en imagerie biomédicale, prouvent leur utilité dans destravaux concernant des maladies génétiques, telles que la myopathie, la mucoviscidoseou la maladie de Fabry.L’axe principal de re c h e rche du Laboratoire de RMN biologique est basé surl’Imagerie et la Spectroscopie de Résonance Magnétique (IRM et SRM) in vivochez le petit animal. Les re c h e rches méthodologiques portent notamment sur lamise au point de nouveaux agents de contraste « intelligents ». Les applicationssont nombreuses : étude de lésions cérébrales consécutives à des pathologiesn e u rodégénératives ou aigües (ischémie, épilepsie), myopathie, insuffisance cardiaque,cancer.La re c h e rche développée en RMN à haute résolution est tournée vers l’analysede la stru c t u re, des interactions et de la dynamique des macromolécules biologiques.Les projets sont sélectionnés pour leur pertinence biologique (mucoviscidose,résistance aux antibiotiques, VIH) et leurs applications potentielles. Ces étudesvont de pair avec des travaux de modélisation moléculaire et des développementsméthodologiques (exploitation des couplages dipolaires résiduels, analysefine de la relaxation, RMN du solide pour les systèmes membranaires et lesm a c romolécules micro c r i s t a l l i s é e s … ) .The numerous studies in chemistry and biology at the ICSN benefit from theavailability of state-of-the-art physical methods (mass spectrometry, nuclearmagnetic resonance (NMR), X-ray crystallography…). The research groupsinvolved in these various techniques are extremely useful to the chemists andbiochemists (mechanistic approaches, structure determination…) allowing themto pursue innovative research in various domains.Parallel to specific methodological developments, collaborative research effortsare conducted in the field of human pathology.X-ray crystallography allows the study of active sites and catalytic and enzymaticprocesses in bio-macromolecules. This technique also proves very useful in thedomain of electronic and molecular photonics or liquid crystals.Applications in mass spectrometry are principally dedicated to the study of enzymaticprocesses and biological pathways by use of proteomic approaches. Thework carried out on new ionization modes appropriate for the analysis of membraneproteins and the development of original methods in biomedical imaginghave proven their high potential for studies of such genetic diseases as myopathy,cystic fibrosis or Fabry’s disease.Research in biological NMR is mainly based on in vivo magnetic resonance spectroscopyand imaging (MRS and MRI) of small animals. Original methodologiesusing “ intelligent “ contrast agents allow a large number of applications in themedical field, ranging from the study of cerebral lesions consecutive to acute(ischemia, epilepsy) or neurodegenerative pathologies, myopathy, cardiac insufficiencyand cancer.High resolution NMR research at the ICSN is mainly centered on the analysis ofthe structures, the interactions and the dynamics of biological macromolecules.Projects are selected based on their biological relevance (cystic fibrosis, antibioticresistance, HIV…) and on their potential applications. These investigationsare associated with molecular modeling studies and methodological developments(new strategies based on residual dipolar couplings, detailed relaxationanalysis, solid state NMR for membrane systems and microcrystalline samples…).• Spectromètre de masse TOF-SIMSdédié à l’imagerie biologique• TOF-SIMS mass spectrometer forbiological imaging• Spectromètre RMN 800 MHz• 800 MHz NMR spectrometer• Modèle dérivé des donnéesRMN de l’interaction entrela thymosine ß4 et l’actine• NMR derived model for theinteraction of thymosin ß4and actin• Suivi de migration cellulaire in vivo parIRM dans le cerveau de souris• In vivo cellular tracking by MRI in themouse brain• Imagerie par spectrométrie demasse d’un faisceau den e u r o n e s dans le cerveau de rat• Mass spectroscopy image of aneuron bundle from a rat brain• Structure RMN d’un facteur de transcriptiond’Aspergillus nidulans et d’un complexeavec sa cible ADN• NMR structure of a transcription factor ofAspergillus nidulans and of a complex withits DNA target

Cibles Thérapeutiques : Chimie & BiologieTherapeutic Targets : Chemistry & BiologyPlusieurs enzymes capitales du métabolismedes micro o rganismes et des mammifères fontl’objet d’études approfondies au sein del’Institut. Qu’elles soient responsables dut r a n s p o rt de nombreuses molécules au traversde la membrane cellulaire, essentiellesau métabolisme du fer ou qu’elles contrôlentle métabolisme des sucres ou la pro d u c t i o nde dérivés oxydés de l’azote, ces pro t é i n e sconstituent des cibles pharmacologiques dontle contrôle permettrait d’intervenir dans dessituations physiopathologiques aussi diff é re n-tes que la résistance aux agents anti-cancére u x ,la neuro d é g é n é rescence, l’angiogenèse tumoraleou le diabète de type 2.Dans ce dernier cas, des études fondamentales(relation entre glycation des protéines etdiabète) sont associées à l'élaboration decompositions pharmaceutiques cicatrisantes.L’étude de ces cibles, abordées par des approcheschimiques (synthèse de sondes réactionnelles,d’analogues de substrats), biochimiques(études cinétiques voire structurales), ou degénomique fonctionnelle (puces à ADN ouARN interférants), permet de compre n d re leurmécanisme d’action puis d’analyser les processusassurant leur régulation. Ces analysesp e rmettent ensuite de concevoir, sur des basesrationnelles, des inhibiteurs spécifiques en utilisantles concepts classiques de l’inhibitionenzymatique ou les stratégies d'assemblagesur la cible.La re c h e rche de molécules capables d’interfé rer avec les protéines étudiées utilise égalementles méthodes de criblage de composésn a t u rels ou synthétiques rassemblés dans lachimiothèque de l’ICSN.Ces re c h e rches bénéficient des services dul a b o r a t o i re de microbiologie appliquée capablede cultiver les microorganismes d’intérêtet d’assurer la purification de protéines re c o m-binantes.Ammonia (depicted as blue/grey molecules)channelling from the glutamine (bottom left)to the fructose-6P site (top right) ofglucosamine-6P synthase solved at 2 . 0 5 Å .Tryptophan 74 controls closing (in pale red) oropening (in green) of the 18Å channel.DNA chip dedicated to iron metabolismand oxido-reduction (feredox I).Red spot: over- e x p ressed gene;green spot: under-expressed gene;yellow spot: no regulation.Model of the ATP-binding domainof Multidrug Resistance AssociatedProtein 1.Tryptophan 653 (red) is essential fornucleotide binding.Vascularization of the chorio- allantoicmembrane of chick embryoSeveral re s e a rch projects are dedicated to thestudy of metabolic enzymes from microbial andmammalian sources. The control of these potentiallytherapeutic targets, involved for examplein the transport of various compounds thro u g hthe cell membrane, in iron metabolism, in thec o n t rol of sugar metabolism or the pro d u c t i o nof nitrogen oxide derivatives, may pro v i d emeans to treat physiopathological conditionssuch as resistance to anticancer drugs, neurodegeneration,tumor angiogenesis and type 2diabetes. In the latter case, basic studies (relationshipbetween protein glycation and diabetes)as well as pharmaceutical applicationsare privileged.The study of the mechanism of action of thet a rget proteins is perf o rmed by chemical(mechanistic probes, substrate analogues),biochemical (kinetic and even structural studies)or functional genomic (DNA chips orsiRNA) approaches.The mechanistic knowledge thus acquire dthen permits analysis of their regulation patte rns. This information, once integrated,allows the design, on a rational basis, of specificinhibitors using the classical enzyme inhibitionstrategy or fragment-based, targ e t -guided autoassembly.The search for new compounds selectivelybinding to the proteins under study is alsoperformed by screening natural and syntheticcompounds collected in the Institute plantand chemical library.These projects greatly benefit from a strongcollaboration with the laboratory of appliedmicrobiology which is expert in growing thedesired microorganisms and can ensure purificationof recombinant proteins.Screening assay of cytotoxic activityA 70L fermentor in the laboratory ofapplied microbiology.Ciblothèque >Les tests biologiques mis au point par les équipes ont été robotisés, permettant le criblage de la banque desproduits naturels ou de synthèse de l’Institut pour leur action inhibitrice ou activatrice des protéines étudiées.Therapeutic Targets >The biological assays designed by the ICSN research groups have been robotized to ensure efficient screening ofthe Institute natural extract collection as well as synthetic compounds for activation or inhibition properties.