ACI BioInformatique - LAAS-CNRS

Titre du projet :
Développement d'un protocole de simulation multi-échelle appliqué au
docking de ligands protéiques dans des molécules d'ADN Porteur du projet : Monique ERARD Laboratoires-partenaire :
1. IPBS (Institut de Pharmacologie et de Biologie Structurale) - UMR 5089 -
205, Route de Narbonne - 31077 TOULOUSE CEDEX 4 - Directeur : F. AMALRIC
2. LAAS-CNRS (Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes) - UPR
8001 -
7, Avenue du Colonel Roche - 31077 TOULOUSE CEDEX 4 - Directeur : J.C.
LAPRIE
3. LPST (Laboratoire de Physique des Solides de Toulouse) - UMR 5477 -
Université Paul Sabatier - 118, Route de Narbonne - 31062 TOULOUSE CEDEX
- Directeur : R. CARLES Liste des participants :
1. ERARD Monique, CR-CNRS, responsable de l'équipe « Interactions acides
nucléiques/protéines comme cibles pharmacologiques » à l'IPBS, e-mail :
erard@ipbs.fr,
50% du temps (contrats en cours : ANRS : 50% - PCV : 50% ; les deux
doivent prendre fin en Décembre prochain)
2. VOSSEN Christine, doctorante dans l'équipe, e-mail : vossen@ipbs.fr, 20%
du temps
3. COURCEL Emmanuel, IR-CNRS, responsable du service informatique et du
pôle bioinformatique à l'IPBS, e-mail : manu@ipbs.fr, 30% du temps
4. DJAFARI-ROUHANI Mehdi, PR, LAAS-CNRS, e-mail : djafari@laas.fr, 25% du
temps (contrats en cours : ATOM 4 : 35 % - CEA : 20% - LETI : 20%)
5. ESTEVE Daniel, DR-CNRS, LAAS-CNRS, e-mail : esteve@laas.fr, 10% du temps
6. LANDA Georges, CR-CNRS, LPST, e-mail : landa@cict.fr, 25% du temps
7. PUECH Pascal, MC-UPS, LPST, e-mail : puech@cict.fr, 40% du temps NB. Les trois laboratoires-protagoniste chercheront évidemment à engager
des doctorants ou post-doctorants sur ce projet, même si a priori il n'y a
pas de possibilité de CDD au travers de la présente action. Liste d'experts proposés :
1. Jean-Pierre Doucet - Institut de Topologie et de Dynamique des Systèmes
- Université
Paris 7- Denis Diderot - 1, Rue Guy de la Brosse - 75005 PARIS -
e-mail : doucet@paris7.jussieu.fr
2. David Perahia - Biochimie Moléculaire et Cellulaire - Université Paris
11 - Bât. 432 - 91405 ORSAY CEDEX - e-mail : david.perahia@erc.u-psud.fr
3. Pierrette Rivallin - CEA/LETI - 17, Rue des Martyrs - 38054 GRENOBLE -
e-mail : rivallin@chartreuse.cea.fr Soutien Financier Demandé
IPBS
( Equipement : 110 kF - Mise à jour des logiciels existants (Insight,
Biopolymer, Discover, Homology de MSI) et acquisition de nouveaux
modules (tels que MCSS, LUDI etc ...). Ces besoins correspondent
respectivement à l'étape-amont du projet, c'est-à-dire modélisation
comparative de protéines, modélisation des acides nucléiques ... avant
le docking, et à l'étape-aval, à savoir la conception de peptides ou
peptido-mimétiques inhibiteurs de l'interaction à partir de la
structure fine de la zone d'interaction déterminée par docking.
( Fonctionnement : 100 kF - Expériences en amont de la simulation -
Tests et cribles d'interactions acide nucléique/protéine par méthodes
spectroscopiques et biologie moléculaire. Préparation de matériel
biologique, enzymes, produits radioactifs, milieux de culture, temps-
machine en RMN et spectrométrie de masse. ( Missions liées au projet: 50 kF ( Vacations souhaitables pour un étudiant en DESS de bioinformatique
(typiquement stage de 6 mois rémunéré) : 60 kF LAAS-CNRS ( Equipement : 150 kF - Achat et maintenance de logiciels directement
liés au développement proposé dans le projet ( Fonctionnement & missions liés au projet : 150 kF LPST ( Equipement : 150 kF - Achat d'une station graphique (type serveur
ORIGIN 200 de SGI) avec extension de mémoire nécessaire etc.. dédiée
aux calculs
( Fonctionnement & missions liés au projet: 100 kF
DEVELOPPEMENT D'UN PROTOCOLE DE SIMULATION MULTI-ECHELLE APPLIQUE AU
DOCKING
DE LIGANDS PROTEIQUES DANS DES MOLECULES D'ADN
1 - Objectif principal L'essor récent des sciences de la vie est certainement dû, au-delà
des nombreuses applications pratiques, à leur ouverture vers des
disciplines plus anciennes. C'est ainsi que la physique, la chimie et
l'informatique ont pu contribuer à cet essor en y apportant non seulement
des techniques et instruments d'analyse, mais aussi des modèles et méthodes
de calcul capables de traiter les différents niveaux de complexité
caractéristiques des assemblages de macromolécules biologiques. C'est dans
ce cadre que s'inscrit notre projet qui fait interagir des spécialistes de
la biologie, de l'informatique, de la physique et des sciences des
matériaux. Nous proposons de développer une simulation multi-échelle
d'interactions-clef entre protéines et acides nucléiques sur la base de
l'expérience des équipes participantes et des logiciels disponibles au
niveau international. Notre objectif est d'assembler des modèles existants
sous forme hiérarchique et de les exploiter tour à tour en fonction des
besoins, aussi bien au niveau spatial des interactions à courte et longue
portée qu'au niveau temporel des mécanismes rapides et lents. Cette
modélisation s'appuiera sur des méthodes développées au LAAS-CNRS et au
LPST dans le cadre de programmes nationaux et européens, pour des
applications en microélectronique et nanotechnologies. Le choix entre
différents modèles se fera sur la base du compromis entre la précision
demandée pour les résultats et le temps de calcul qui limite le nombre de
simulations à effectuer. Ce développement méthodologique sera dédié à une
problématique centrale à la génomique structurale, à savoir la prédiction
des mécanismes moléculaires à la base d'interactions critiques entre
protéines et acides nucléiques. Cette thématique constitue l'un des axes
majeurs de la recherche à l'IPBS.
2 - Apport des méthodes bioinformatiques prédictives à la génomique
structurale Application du docking moléculaire à l'étude des interactions
protéines/acides nucléiques
Les interactions acides nucléiques/protéines régissent de nombreux
processus biologiques, qu'il s'agisse, entre autres, de la transcription du
génome et de la traduction subséquente du message génétique en protéines.
L'étude structurale de la régulation de l'expression génique a des
implications multiples en terme de cancérogénèse, de maladies virales et
auto-immunes. La résolution à l'échelle atomique, par cristallographie ou RMN, de
centaines de structures de complexes acides nucléiques/protéines a permis
de mettre à jour un certain nombre d'éléments d'une logique commune :
insertion de motifs peptidiques d'une dizaine de résidus dans un sillon
majeur d'ADN ou sillon mineur d'ARN, interaction d'empilement entre des
cycles aromatiques d'amino-acides et des bases nucléotidiques, interaction
de type arginine/guanine. Il devient donc possible de circonscrire
l'essentiel d'une interaction acide nucléique/protéine à un ensemble de
groupements chimiques - donneurs et accepteurs d'hydrogène, polaires,
hydrophobes - dans un volume relativement restreint par rapport aux
surfaces totales des deux entités respectives. Pourtant, les parties
restantes des macromolécules, protéine et acide nucléique, ne sauraient
être négligées dans la mesure où elles assurent l'approche initiale des
deux partenaires de l'interaction et où elles contraignent aussi les libres
rotation du " ligand " dans le " récepteur ".
Par ailleurs, des méthodes prédictives - combinaison de modélisation
par homologie et docking moléculaire - ont été développées pour pallier à
la masse exponentielle de données de séquences nucléiques et protéiques
mises à jour et que ne peuvent traiter dans leur intégralité les méthodes
structurales directes (cristallographie et RMN) en dépit de leurs évidents
progrès. Malheureusement, la plupart des méthodes de docking actuellement
disponibles accommodent mal le traitement simultané à courte et à longue
distance de l'interaction. C'est en ce sens qu'est particulièrement
séduisante l'approche développée conjointement par les équipes du LAAS-CNRS
et du LPST, à savoir la simulation multi-échelle.
3 - Les modèles actuels et leur adéquation à la problématique biologique
abordée
La démarche la plus rigoureuse consisterait à traiter les
interactions mises en jeu à l'aide de modèles quantiques, utilisant en
particulier la théorie de la fonctionnelle densité associée aux pseudo-
potentiels atomiques. L'intérêt de cette démarche est de bien représenter
les mécanismes intervenant dans les interactions, ainsi que d'évaluer les
énergies mises en jeu. Cette approche est cependant très lourde et
difficile à mettre en oeuvre. En effet, elle ne peut être appliquée qu'aux
systèmes de petites tailles (contenant au maximum 100 atomes) et demande un
temps de calcul prohibitif (plusieurs semaines). Il est évident que cette
approche ne convient pas aux grosses molécules rencontrées en biologie,
pharmacie et biochimie, et ne permet pas de réduire les délais.
A l'opposé, les modèles du type 'Docking' conventionnel sont fondés
sur des interactions de nature coulombienne et Van der Waals entre les
molécules, négligeant le plus souvent toute déformation de la molécule. Ils
ne permettent donc pas d'accéder réellement aux mécanismes des
interactions, c'est-à-dire aux ruptures et formations de liaisons entre
atomes. En particulier, dans le cas des molécules non polai