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     Bioinformatique structurale


  Responsable : Michael Nilges (nilges@pasteur.fr)


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Les intérêts principaux de recherches de l'unité sont l'analyse et la prédiction des structures et des interactions des protéines, la prédiction de grands mouvements des protéines, la détermination de la structure et de la dynamique des protéines à partir des données RMN, et l'analyse des données génomiques. Les méthodes employées ou développées incluent la modélisation par homologie, les calculs d'amarrage, la dynamique moléculaire, et le calcul d'énergie libre.



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Modélisation des interactions protéine-peptide dans des venins de serpent (R. Maroun)

Le venin du serpent B. jararaca contient deux sérines protéinases qui présentent 66 % d'identité de séquence, mais avec des fonctions complémentaires. La PA-BJ induit l'agrégation et la réaction de relâche des plaquettes sans coaguler le fibrinogène. La bothrombine coagule le fibrinogène, mais n'a pas d'effets directs sur les plaquettes, sauf en présence de fibrinogène exogène. Afin de comprendre la base moléculaire de la distribution des deux fonctions procoagulantes de la thrombine - activation du fibrinogène et agrégation plaquettaire - parmi ces deux enzymes de venin de serpent, nous avons obtenu des modèles moléculaires pour chaque enzyme dans la forme apo et dans la forme complexée. Deux fragments du fibrinogène comprenant le fibrinopeptide A ont été modélisés au niveau du site actif et de l'exosite 1 de la bothrombine. Pour la PA-BJ, un tétrapeptide provenant du site de liaison de la thrombine avec son récepteur PAR1 a été utilisé. Les modèles moléculaires des complexes montrent que, de façon analogue à la thrombine, chacune des enzymes présente deux exosites. Néanmoins, les exosites contiennent une moindre proportion d'acides aminés basiques que la thrombine (45-72%), ce qui peut expliquer la réduction de la diversité fonctionnelle de ces enzymes. En plus, la composition de l'exosite I est différente chez les deux enzymes. Nous avons identifié ceux résidus dans l'exosite I qui pourraient contribuer aux différences de spécificité. Finalement, contrairement au cas de la thrombine, l'allostérie ne semble pas jouer un rôle dans la reconnaissance macromoléculaire du substrat.

Nouvelles méthodes de calcul de l'énergie libre des associations protéine-ligand (A. Blondel)

Ces développements ont pour but de fiabiliser les méthodes de prédictions quantitatives de l'énergie libre d'associations protéine-ligand de sorte qu'elle puissent compléter utilement les expériences sur des processus biologiques ou contribuer à la conception de nouveaux agents thérapeutiques. En raison de leur importance énergétique, nous nous intéressons à l'identification des conformations et des mécanismes pertinents pour les associations protéine-ligand, ou encore pour des processus plus complexes comme les réactions enzymatiques ou le repliement des protéines.

La conception de ces méthodes à été motivée par une étude expérimentale et théorique approfondie de l'association des sous-unités de R67 DHFR (voir les rapports précédents de l'unité de Repliement et Modélisation des Protéines). Notre nouvelle méthode réduit de manière significative les incertitudes dans le calcul de différence de l'énergie libre. La méthode est basée sur l'optimisation des fluctuations d'ensemble lors de l'intégration thermodynamique. De bonnes propriétés de convergence ont été observées, et les prédictions étaient en accord avec des expériences (différence de ~0.4 kcal/mol). Une comparaison récente avec des méthodes standard de la littérature a confirmé la supériorité de notre méthode. Nous avons aussi examiné la convergence sur des systèmes présentant une hystérèse significative. Une comparaison de nos calculs avec l'ensemble de données expérimentales précises que nous avons rendues disponibles dans la littérature nous permet de conclure qu'il est possible de prédire les différences d'énergie libre avec une précision comparable à celle de l'expérience à condition de prendre en compte le mécanisme d'association et les relaxations structurales.

La dynamique des interactions protéine-ligand (P.-L. Chau)

Une trajectoire de dynamique moléculaire montrant la sortie forcée du rétinol de son transporteur dans le sérum de boeuf a été calculé. Le comportement de l'eau pendant la séparation du ligand n'a jamais été étudié en détail. Dans cette étude, une nouvelle méthode pour définir un site de liaison a été développée, les molécules d'eau impliquées dans la liaison ont été localisées, et leurs mouvements ont été examinés pendant la séparation du ligand. On n'observe que de petits changements structuraux dans le site de liaison. Le nombre de molécules d'eau à l'intérieur du site diminue, et les liaisons d'hydrogène se réarrangent pendant la séparation. Ce travail représente la première étude détaillée du comportement de l'eau pendant un processus de séparation.

La dynamique de la formation de complexes entre protéines (R. Grünberg, J. Leckner, M. Nilges)

Un des problèmes principaux pour la prédiction de complexes entre protéines est la flexibilité de partenaires. Les algorithmes d'amarrage doivent comporter diverses simplifications pour contourner la complexité dû à la flexibilité des partenaires. Pour améliorer des procédures d'amarrage, la connaissance détaillée des propriétés dynamiques des surfaces d'interaction est nécessaire. Tandis que des propriétés statiques comme la complémentarité de forme et les différences entre les structures libres et complexées ont été étudiées en détail, peu de chose est connu au sujet de la façon dont une interaction entre protéines affecte la dynamique des protéines. Nous avons choisi un ensemble de 17 complexes de deux protéines pour lesquels les structures tridimensionnelles des composants libres et du complexe sont disponibles. Pour chacun de ces 51 systèmes nous avons effectué des simulations de dynamique moléculaire dans l'eau. Dans beaucoup de cas, l'interaction ne diminue pas le mouvement globale des partenaires ni des résidus de l'interface. Dans la majorité de cas, les fluctuations moyennes des partenaires dans le complexe sont similaires ou plus grandes que dans la forme libre. Des effets similaires ont été observés expérimentalement dans les complexes de la calmoduline, de la protéine L9, de la protéine kinase A, et d'autres encore. Par ailleurs, nous observons souvent que les interfaces de récepteur et de ligand montrent un comportement dynamique complémentaire avant l'interaction.

Interaction entre 5-HT et le récepteur 5-HT3 (P.L. Chau, N. Duclert-Savatier, M. Nilges ; collaboration avec Sarah Lummis (département de biochimie, Université de Cambridge)).

Cette étude est la suite des travaux précédents sur le complexe de 5-HT et un modèle d'homologie du récepteur 5-HT3, qui était en bonne concordance avec des résultats expérimentaux (D.C. Reeves, M.F.R. Sayed, P.-L. Chau, K.L. Price and S.C.R. Lummis (2003) Biophysical Journal 84: 2338-2344). Les propriétés du complexe modelé ont été étudiées par des calculs de dynamique moléculaire. Une sphère de l'eau de 12 Å a été placée autour du site de liaison, et les propriétés dynamiques de 5-HT ont été étudiées en utilisant la méthode de dynamique de Langevin. Cette étude permettra une analyse détaillée des forces des différentes interactions entre le ligand et la protéine, et une interprétation des résultats expérimentaux obtenus en laboratoire de Sarah Lummis.

L'hydratation hydrophobe (P.-L. Chau)

L'influence de la courbure sur l'hydratation hydrophobe a été étudiée par des calculs moléculaires de dynamique. Trois objets hémisphériques de rayon 6.5 Å, 9.3 Å et 12.2 Å ont été construits à partir des icosaèdres où les sommets étaient les "atomes" hydrophobes. Ces objets ont été hydratés, et des simulations de dynamique moléculaire ont été effectuées sur le système. L'analyse de la trajectoire a démontré que les molécules d'eau autour des corps dissous convexes possèdent des configurations différentes et montrent la dynamique de translation et de rotation différente des molécules d'eau dans la région en bloc. On n'a observé aucune différence qualitative dans le changement de ces propriétés structurales et dynamiques pendant que les hémisphères devenaient plus grands.

Un nouveau principe pour la détermination RMN de structure (W. Rieping, M. Habeck, M. Nilges)

Les deux principales causes des incertitudes en structures RMN sont l'imperfection de données expérimentales et l'inexactitude des modèles théoriques. Nous développons un nouveau principe de détermination de structure, appelé " Inferential Structure Determination " (ISD), basé sur la théorie des probabilités Bayésienne, afin de traiter ces incertitudes de manière fondamentale. L'approche est très générale et non limitée à la détermination de structure RMN. Le principal avantage est que cette méthodes permet d'estimer non seulement les coordonnées atomiques, mais aussi d'autres paramètres inconnus comme la qualité de données. En conséquence, ISD n'introduit qu'un minimum de biais humain : les structures calculées dépendent seulement des données expérimentales et des interactions physiques du système (un champ de force de dynamique moléculaire). La précision estimée de la structure est donc seulement déterminée par les données, comme elle devrait l'être idéalement. En utilisant cette approche, nous pouvons pour la première fois dériver des figures de mérite statistiquement significatives pour les structures RMN (incertitudes atomiques). L'analyse Bayésienne nous permet également d'évaluer la cohérence des données, en utilisant des distributions prédictives. En outre, nous travaillons à l'amélioration de la façon dont sont employées les données, pour tenir compte de la dynamique interne de la protéine dans le calcul.

Application des principes physiques à l'analyse des structures d'acide nucléique(E. Yeramian)

Dans le prolongement des travaux des années précédentes les développements se sont effectués (en collaboration) selon 4 directions complémentaires: 1) méthodologies algorithmiques, avec extensions aux problèmes d'alignements de séquences et structures d'ARN (avec E. Debonneuil); 2) physique des modèles structuraux à grande échelle, notamment pour l'ADN sous-enroulé (avec H. Orland et T. Garel); 3) analyses génomiques, et identification de gènes, sur des bases structurales (avec L. Jones, et la création notamment d'un site pbga.pasteur.fr, pbga: Physics-Based-Genomic-Analyses) et 4) comparaisons génomiques et phylogénies (avec F. Tekaia).

Mots-clés: prediction de structures des protéines, interactions des protéines, arramage, modélisation moléculaire, analyse de genomes



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  personnel

  Secrétariat Chercheurs Stagiaires Autre personnel
  Communal Renée, communal@pasteur.fr Nilges Michael, Chef de laboratoire IP : nilges@pasteur.fr

Blondel Arnaud, Chargé de Recherche IP : ablondel@pasteur.fr

Chau Pak Lee, Chargé de Recherche IP : pc104@pasteur.fr

Maroun Rachid, CR1 CNRS : rmaroun@pasteur.fr

Yeramian Edouard, DR2 CNRS : yeramian@pasteur.fr

Jens Linge, post-doctorant

Johan leckner, post-doctorant

Grünberg, Raik, Thésard, raik@pasteur.fr

Habeck, Michael, Thésard, habeck@pasteur.fr

Rieping, Wolfgang, Thésard, rieping@pasteur.fr

Krzeminski Michael, Thésard, mkrzemin@pasteur.fr

Ait Abdallah, Samira Maîtrise

Ravetch, Jared

Rang, Catherine
Duclert-Savatier, Nathalie, Ingénieur, nathsav@pasteur.fr

Huynh, Tru-Quang, Ingénieur, tru@pasteur.fr

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