Les structures tridimensionnelles des protéines: comprendre le vivant à l'échelle de l'atome et proposer de nouveaux médicaments par une approche informatique. Par Alexandre G. de Brevern Conférence du 9 mars 2011 à l'Institut français d'Oslo. www.france.no

1. Les structures tridimensionnelles des protéines:
comprendre le vivant à l'échelle de l'atome et
proposer de nouveaux médicaments par une
approche informatique.
Alexandre G. de Brevern
INSERM UMR-S 665 - Dynamique des Structures et Interactions des Macromolécules Biologiques (DSIMB )
Université Paris Diderot – Paris 7, Institut National de Transfusion Sanguine (INTS) 1
6, rue Alexandre Cabanel, 75015 Paris - France

2. Plan
1. Le monde vivant
2. Notre ami la cellule: ADN, ARN, protéines et les autres
3. Les protéines et leurs fonctions
4. Analyse des structures tridimensionnelles des protéines
5. Pathologie et structure protéiques
6. Vers la compréhension des mécanismes
7. Aide à la conception des médicaments
2

3. 1. Le monde vivant
Qu’est-ce que le vivant ?
La question est complexe.
Pour Aristote, tout vivant possède une âme (anima) qui
anime le corps. L’âme est la forme de cette matière qu’est le
corps.
Il faut attendre l’avènement de la biologie (sciences de la
vie) pour commencer à avoir une définition du Vivant.
3

4. 1. Le monde vivant
la distinction entre organismes vivants et non vivants est
parfois difficile.
non vivant Virus vivant 4
???

5. 1. Le monde vivant
Pour un scientifique, le vivant est
l'état et les formes auto-organisées et homéostatiques de la
matière (organismes vivants) ayant une capacité de
duplication et d'évolution. L’ensemble composant la
biosphère.
Les expériences de Louis Pasteur ont réfuté la génération
spontanée d'organismes vivants.
Le vivant nait du vivant
Amène à des concepts tel que l’évolution (développement et
disparition des formes vivantes, mort, création, etc.).
5

6. 2. La cellule
L’arbre de la Vie
6
http://library.thinkquest.org/19012/treeolif.htm

7. 2. La cellule
La majorité des organismes uni- et pluricellulaire ont les
mêmes caractéristiques:
7

8. 2. La cellule
ADN
protéines
ARN
Sucres, ions,
petits ligands
Membrane(s) externe(s)
wikipedia compartimentation 8

9. 2. La cellule
Les grands composants sont donc
ADN == mémoire
transcription
ARN
traduction
Protéines
Modifications post-traductionnelles
Interactions
macromoléculaires 9
== Fonctions biologiques

10. 2. La cellule
Même les virus ont des caractéristiques similaires
ARN
protéine
Membrane = lipides
Virus du SIDA 10

11. 2. La cellule
Un organisme (ex: Homme), c’est comprendre la cellule
unité élémentaire, aussi bien individuellement que ses
communications avec d’autres cellules
11

12. 2. La cellule
Et ensuite aller encore plus précisément au niveau
moléculaire, puis atomique
12

13. 3. Les protéines et leurs fonctions
Qu’est-ce qu’une protéine ?
Pas réellement du fuel … plutôt la voiture
13

14. 3. Les protéines et leurs fonctions
Une protéine est un polymère, composé d’une unité
élémentaire,
l’acide aminé
Ils ont des caractéristiques
simples: 14

15. 3. Les protéines et leurs fonctions
Structure primaire (séquence) : la succession des acides
aminés.
Structure tridimensionnelle (3D): la protéine repliée
(potentiellement fonctionnelle)
15

16. 3. Les protéines et leurs fonctions
Les protéines sont de 3 types (fonctions distinctes) :
globulaires
A l’extérieur de
dans la cellule la cellule
transmembranaires membrane
dans la cellule
fibreuses
dans la cellule
16

17. 3. Les protéines et leurs fonctions
De l’interaction nait la fonction
17

18. 3. Les protéines et leurs fonctions
Des fonctions très différentes :
– Structure : les fibres protéiques
– Mouvement
– Transport de substances dans le sang
– Transport de substances à travers la membrane des cellules
– Hormones
– Identification des cellules
– Défense : les anticorps
– Enzymes
18

19. 3. Les protéines et leurs fonctions
Un exemple classique: les cycles métaboliques
19

20. 3. Les protéines et leurs fonctions
A plus grande échelle, une cellule (partiellement):
20

21. 4. Analyse des structures 3D des protéines
Pourquoi s’intéresser aux structures protéiques:
21

22. 4. Analyse des structures 3D des protéines
C’est joli !!!
22

23. 4. Analyse des structures 3D des protéines
Permet de comprendre les mécanismes des fonctions au
niveau atomique
Exemple du répresseur du tryptophane
23

24. 4. Analyse des structures 3D des protéines
Permet de comprendre les mécanismes des fonctions au
niveau atomique
Exemple du répresseur du tryptophane
Trop de tryptophane induit l’interaction des deux protéines, d’où la
24
répression de l’opéron

25. 4. Analyse des structures 3D des protéines
1 : cristallographie aux rayons X
Proteins purificated
+ « magic potion »
Diffraction
Synchrotron Soleil Laser
Cliché
de diffraction
Résolution
Dépôt dans la PDB 25

26. 4. Analyse des structures 3D des protéines
2 : RMN
Protéines purifiées
…
Séquence : GMANTQ
Résolution
Magnetic fields for X secondes
for H next N = HSQC
26
Chemical shift attribution
map

27. 4. Analyse des structures 3D des protéines
La Protein DataBank; 70 000 structures disponibles
27

28. 4. Analyse des structures 3D des protéines
Avoir accès à la structure 3D permet de comprendre ce qui
se passe
28
enfin on espère …

29. 5. Pathologie et structure protéiques
l'étude des maladies permet de cerner 2 grandes causes de
maladies:
1. Les maladies auto-immunes qui sont causés par l’organisme
lui-même. Un cas classique est le cancer (une cellule ne
contrôle plus son développement), ou encore les allo-
immunisations où le corps produit des anticorps contre lui-
même.
2. Les infections causés par des agents pathogènes, comme
dans le cas du SIDA ou du paludisme.
29

30. 5. Pathologie et structure protéiques
Un cas concret: la thrombasthénie de Glanzmann
La thrombasthénie de Glanzmann est une dysfonction
plaquettaire causé par une anomalie génétique touchant les
intégrines, des protéines présentes à la surface des
plaquettes. Lorsque ce récepteur est absent ou qu’il ne
fonctionne pas correctement, les plaquettes ne collent (ne
s’agrègent pas) pas les unes aux autres au siège de la lésion,
ce qui entrave la coagulation du sang.
30

31. 5. Pathologie et structure protéiques
Des mutations ponctuelles sont déterminées
31

32. 5. Pathologie et structure protéiques
Sur la protéine b3 (du complexe α2b β3), nous avons une
mutation d’une Lysine en position 253 par une Méthionine.
32

33. 5. Pathologie et structure protéiques
Les intégrines sont des ‘Transformers’ de très grande taille
33

34. 5. Pathologie et structure protéiques
Comment peut-on comprendre ce qui se passe ?
34

35. 6. Vers la compréhension des mécanismes
Nous avons la structure initiale (sauvage).
In silico, on change l’acide aminé Lysine 253 par la
Méthionine
Nous observons que le changement ne change pas la
topologie de la protéine
Passage de positif à neutre localement
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36. 6. Vers la compréhension des mécanismes
Calcul énergétique effectuée entre le sauvage et le mutant
Alors que la mutation est à la périphérie de l’interface, il
correspond à l’interaction la plus importante du complexe.
36
Non documenté préalablement…

37. 6. Vers la compréhension des mécanismes
Autre example: une anémie dyserythropoietic congenitale
dyserythropoietic.
10 ans de travail pour trouver la (les) cause(s)
37

38. 6. Vers la compréhension des mécanismes
ici une mutation ponctuelle, sur un facteur de transcription
38

39. 6. Vers la compréhension des mécanismes
Augmentation de l’interaction
39

40. 6. Vers la compréhension des mécanismes
Utilisable aussi pour améliorer des techniques
Exemple d’un kit de détection de l’infection paludique par
Plasmodium vivax.
Il s’agit de détecter une protéine impliquée dans l’infection.
40

41. 6. Vers la compréhension des mécanismes
VHHs
expression
immunisation
41

42. 6. Vers la compréhension des mécanismes
42

43. 6. Vers la compréhension des mécanismes
Un grand nombre de VHHs sont obtenus. Certains marchent
mieux que d’autres. Pourquoi ?
analyse
modèlisation
optimisation
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44. 7. Aide à la conception des médicaments
Qu’est-ce qu’un médicament?
44

45. 7. Aide à la conception des médicaments
Qu’est-ce qu’un médicament?
Un médicament est une substance présentée comme
possédant des propriétés curatives, préventives ou
administrée en vue d'établir un diagnostic. Un médicament
est le plus souvent destiné à guérir, à favoriser la guérison, à
soulager ou à prévenir des maladies humaines ou animales.
45

46. 7. Aide à la conception des médicaments
46
© Leem

47. 7. Aide à la conception des médicaments
Les approches in silico peuvent aider en amont.
Ils peuvent apporter une explicativité des résultats déjà
obtenus.
47

48. 7. Aide à la conception des médicaments
cluster 2
cluster1 Histidine cluster 3
DNA gyrase Kinase DNA gyrase
HSP 90
MutL
α-ketoacide MutL
101
structures DHK
MutL
Prot-Lig
cluster 4
CLASSIFICATION
surfaces 78 HSP90 10
(DNA gyrase
PDK MutL)
1 α-ketoacide
DHK cluster 5
DNA topoisomerase VI Histidine
Kinase
Prot-Lig
CLASSIFICATION RADICICOL
surfaces
Doppelt-Azeroual et al. (DDDT ,2010) 48

49. 7. Aide à la conception des médicaments
Ainsi de manière similaire, il est possible de partir d’une
pathologie
De manière classique voici un pipeline de recherche
49

50. 7. Aide à la conception des médicaments
L’intérêt financier de la recherche pharmaceutique se réduit
50

51. 7. Aide à la conception des médicaments
Il faut donc optimiser la recherche, une des nouvelles
limitations est la … plus grande diversité des molécules !!!
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52. 7. Aide à la conception des médicaments
Des grands changements avec les ‘Omics’
52

53. 7. Aide à la conception des médicaments
Genes
Genomics and Proteomics Bioinformatics Tools
Develop
NMR
Target identification Xray Diffraction
new protocols
Protein Function/Structure Homology Modeling
determination Structure comparison
by
Molecular Dynamics
Target characterization chaining
Virtual screening
Ligand identification
DeNovo Ligand Design
3D tools
Pharmacophore
QSAR
Generation of active molecules Diversity selection
Hit Selectivity profiling
optimization ADME/Tox profiling 53
Lead

54. 7. Aide à la conception des médicaments
Des exemples
54

55. 7. Aide à la conception des médicaments
55

56. 7. Aide à la conception des médicaments
56

57. 7. Aide à la conception des médicaments
57

58. 7. Aide à la conception des médicaments
Drug
Targets candidates
Classification des modes de
superposition 3D possibles
Classification des (approche pharmacophorique
sites 3D d’interactions MED-SuMo)
(MED-SuMo)
Cluster P38 Map Kinases
Puissant datamining sur les informations expérimentales ligands-protéines (PDB + IC50)
Prédiction de la sélectivité
Approche fragmentale: MED-SuMo permet une classification par sous-structure
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59. 7. Aide à la conception des médicaments
Un problème énorme: la toxicité des produits pour l’être
humain la recherche ADME-Tox
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60. 7. Aide à la conception des médicaments
On a donc des données de produits donc on connait les effets
négatifs et d’autres considérés comme sans effet néfaste pour
l’être humain sain (à définir).
On modélise des règles pour le prendre en compte.
Et prédire l’innocuité de composés non testés.
60

61. 7. Aide à la conception des médicaments
En réalité aussi beaucoup d’approches statistiques.
Toutefois …
61

62. 7. Aide à la conception des médicaments
Il n’est pas possible de s’assurer qu’il n’y aura jamais
d’effets secondaires car
Organisme pluricellulaire
Des centaines de types cellulaires différents
Des communications entre cellules peu connues
Variabilité génétique immense, environnement, nourriture …
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Beaucoup beaucoup de facteurs

63. 7. Aide à la conception des médicaments
Qu’est-ce qu’un médicament?
Un médicament est une substance présentée comme
possédant des propriétés curatives, préventives ou
administrée en vue d'établir un diagnostic. Un médicament
est le plus souvent destiné à guérir, à favoriser la
guérison, à soulager ou à prévenir des maladies humaines
ou animales.
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64. Remerciements
Programme Asgard
Ambassade de France en Norvège
INSERM
INTS
Université Paris Diderot – Paris 7
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