Docking protéine-ligand avec AutoDock
Louacheni Farida
Introduction
Récemment, la bio-informatique a beaucoup avancé au ni...
Criblage virtuel
Le criblage virtuel ou (virtual screening) [2], est une méthode moderne qui a été utilisé dans
l'identifi...
Le schéma ci-dessous présente clairement les étapes à suivre pour la procédure de docking
Figure 2 : Étapes docking
L'orga...
Étapes AutoDock
AutoDock a besoin de connaître les types, les charges et la liste de liaison de chaque atome,
afin de pouv...
2. Préparer le fichier d'entrée pdb de ligand, après avoir charger le fichier avec ADT, il faut définir
le root (root est ...
Sauvegarder le fichier de paramètre de la grille en gpf, et lancer AutoGrid. Il faut bien preciser
les chemins pour autogr...
supporter plus de 8 liaisons rota tables.
On peut lancer autodock avec la commande ci-après : autodock4 -p file.dpf -l fil...
Le résultat de docking est présenté dans la figure ci-dessous, montre que 10 conformations sont
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Le meilleur résultat du docking est la conformation avec une faible énergie. Ici on voit que la
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Le complexe protéine-ligand est présenté dans la figure ci-dessous. On observe les 10 conformations
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Docking avec AutoDock4.2

  1. 1. Docking protéine-ligand avec AutoDock Louacheni Farida Introduction Récemment, la bio-informatique a beaucoup avancé au niveau de prédiction des interactions moléculaires qui détiennent une protéine et un ligand dans le site de liaison, et dans la découverte de nouveaux médicaments. Le docking des petites molécules et le criblage virtuel de composés candidats, sont devenus une partie intégrante dans la découverte de médicaments. Ces techniques sont beaucoup utilisées surtout le domaine de la médecine. Plusieurs logiciels ont été développés pour fournir une procédure pour prédire l'interaction de petites molécules avec des cibles de protéine, et d'incorporer la flexibilité au sein des algorithmes de docking, tels que :AutoDock, Gold, Doc, Flex... Dans ce présent rapport, nous décrivons la technique du criblage avec le programme autodock, le docking et les outils utiliser. On présente par la suite en exemple de docking avec AutoDock afin d'expliquer comment procéder avec l'outil AutoDock tools. Et à la fin nous concentrons sur le résultat de la simulation de l'interaction protéine-ligand. Nomenclature • Ligand, une structure généralement une petite molécule qui se lie à un site de liaison • Récepteur, une structure généralement un protéine qui contient le site de liaison actif • Site de liaison, zones de protéines actives qui interagissent physiquement avec le ligand pour la formation de composé Docking Le docking [1] (ou arrimage) consiste à trouver la meilleure position pour le ligand (petite molecule) dans le site de liaison d'un récepteur (protéine) de façon à optimiser les interactions avec un récepteur, evaluer les interactions ligand-récepteur de façon à pouvoir discriminer entre les positionnements observés expérimentalement et les autres. Il permet aussi, de prédire la structure intermoléculaire entre deux molécules en une structure tridimensionnelle 3D, les modes de liaison ou les conformations possibles d'un ligand à un récepteur, et de calculer l'énergie de liaison. Le docking prévoit également la résistance de la liaison, l'énergie du complexe, les types de signaux produits et estime l'affinité de liaison entre deux molécules. Et il aide à décider quel ligand candidat interagira le mieux avec un récepteur protéine cible. Le docking comprend deux sections séparées. La première section consiste en algorithmes de recherche, ces algorithmes sont capables de générer un grand nombre de structures possibles et pour déterminer le mode de liaison. Parmi ces algorithmes : algorithme génétique, la méthode de Monte Carlo... Et la deuxième section est consacrée a la fonction de scoring, qui sont des méthodes mathématiques utilisées pour estimer la puissance d'interaction et l'affinité de liaison entre deux molécules après avoir été passé par l'étape de docking. Et le meilleur résultat pour le docking est le complexe protéine-ligand avec la faible énergie Figure 1 : Docking et Scoring 1
  2. 2. Criblage virtuel Le criblage virtuel ou (virtual screening) [2], est une méthode moderne qui a été utilisé dans l'identification de nouvelles substances bioactive. Il s'agit d'une méthode qui vise à identifier les petites molécules contenues dans grandes base de données pour l'interaction avec les protéines cibles pour afin de faire des analyses ultérieures. Le criblage virtuel, est considéré comme une technique de calcul qui utilise des méthodes basées sur ordinateur ou des modèles informatiques. Elle consiste la première étape dans le processus de découverte de médicaments, une fois que la molécule cible a été identifier. Il s'agit de sélectionner les composent, c-à-d, les molécules qui peuvent influencer l'activité de la protéine cible. Le criblage virtuel est utile pour accélérer la découverte de nouveaux qu, pour chercher des bibliothèques de petites molécules afin d'identifier les structures qui sont les plus susceptibles de se lier à une cible de médicament, généralement un récepteur de protéines. AutoDock AutoDock [3] est un ensemble de procédures, dont le but de prédire l'interaction entre un ligand et un protéine cible. Et il peut-être utilise pour trouver un site actif pour un protéine cible, en cherchant la structure entière. AutoDock est recommandé pour effectuer le docking avec des petites molécules. Mais, lorsqu'il s'agit de grandes molécules, le docking avec DINC est beaucoup plus rapide et efficace. Afin de pouvoir réaliser le criblage virtuel avec AutoDock, un ensemble d'outils nécessaires doivent être mis en place. Nous avons utilisés la version AutoDock4.2 • AutoDock • AutoGrid • AutoDockTools • Python 2.7 • Les fichiers nécessaires téléchargeable depuis le site de base de donnée de protéine www.pdb.com La procédure de docking avec AutoDock se décompose en deux étapes principales : • Génération de carte d'interactions du récepteur avec AutoGrid • Docking (amarrage) du ligand au récepteur avec AutoDock Nous utiliserons l'interface graphique AutoDockTools (ADT) pour faciliter la préparation des fichiers. pour effectuer le docking et visualiser les résultats. Les étapes sont décrites ci-dessous : 1. Préparation des fichiers de coordination en utilisant AutoDockTools 2. Le calcul d'affinités des atomes avec AutoGrid 3. Le docking de ligands avec AutoDock 4. Analyse des résultats avec AutoDockTools 2
  3. 3. Le schéma ci-dessous présente clairement les étapes à suivre pour la procédure de docking Figure 2 : Étapes docking L'organigramme suivant décrit les étapes de docking, afin de rendre la technique de docking assez compréhensive pour les lecteurs surtout pour les informaticiens. Figure 3 : Organigramme des étapes de docking 3 OUTPUT autoGrid est un fichier log (glg) OUTPUT autoDock est un fichier log (dlg)
  4. 4. Étapes AutoDock AutoDock a besoin de connaître les types, les charges et la liste de liaison de chaque atome, afin de pouvoir effectuer la procédure de docking. Tout d'abord, il faut chercher dans la base de donnée PDB (Protein Data Bank) les fichiers pdb pour le protéine et le ligand. Il existe deux façons pour la préparation des fichiers d'entrées, soit on les télécharges séparément, soit on télécharge un fichier complexe protéine-ligand, et après on extrait les coordonnés de protéine et de ligand dans des fichiers séparés. Et pour faire cela, en utilise la commande egrep sous linux • Pour extraire le protéine, qui sont des lignes dans qui commencent par le mot ATOM. Et chaque chaine de protéine se termine par une ligne qui commence par TER egrep ''^(ATOM|TER)'' file.pdb > protein.pdb • Tandis que, pour extraire le ligand, qui sont des lignes qui commencent par le mot HETATM egrep ''^HETATM file.pdb | grep HOH* -v > ligand.pdb Nous avons choisi les fichiers d'entrées 1DY6.pdb pour le récepteur et impinem.pdb pour le ligand, pour dérouler la simulation avec autoDockTools. Après avoir extraire ou télécharger les fichiers, on va lancer l'outil AutoDockTools (ADT) avec la commande adt. Comme nous avons décrit en dessus le docking consiste en étapes : 1. Préparer le fichier d'entrée pdb de protéine , après avoir ouvrir ce fichier avec ADT. Nous avons ajouter l’Hydrogéné au protéine. Et ensuite en sauvegarde les changement effectué. Figure 4 : Préparation du protéine 4
  5. 5. 2. Préparer le fichier d'entrée pdb de ligand, après avoir charger le fichier avec ADT, il faut définir le root (root est le centre de pivotement de ligand pendant la procédure du docking). Les liens rotatifs ou flexibles sont colorés en vert, et celles rigides sont colorés en rouge. On peut changer le nombre de liens rotatifs. Finalement, il faut sauvegarder les modifications en pdbqt. Figure 5 : Préparation du ligand 3. Pré-calculation avec AutoGrid. Pour préparer la grille, il faut que le plan de la grille soit au centre près de site de liaison, et il doit être assez grand pour contenir tous les résidus qui interagissent avec le ligand et suffisamment grand pour permettre au ligand d'avoir une rotation complète. Pour cela, nous avons changer les paramètres de plan de la grille Ensuite, après l'ouverture des fichiers pdbqt, il faut paramétrer les dimensions du plan de la grille. Figure 6 : Plan de grille 5 Racine Ligand Root
  6. 6. Sauvegarder le fichier de paramètre de la grille en gpf, et lancer AutoGrid. Il faut bien preciser les chemins pour autogrid et le fichier gpf. On peut lancer autoGrid en ligne de commande avec, aurogrid4 -p file.gpf -l file.glg (-p, pour le fichier de parametre. Et -l, pour le fichier log) Après avoir lancé autogrid, plusieurs nouveaux fichiers avec l'extension map se créent, qui correspondent à chaque type d'atome de ligand et des fichiers auxiliaires. Ces fichiers map sont importants dans le docking. En exécutant la commande tail -f file.glg (file.glg,est le fichier log de la commande autogrid4), il faut avoir le résultat comme suit : 4. L'avant-dernière étape consiste à préparer les fichiers nécessaires pour effectuer le docking protéine-ligand avec autodock4. Il faut choisir l'algorithme de recherche, nous avons choisi Genetic Algorithme (GA), vu son efficacité par rapport aux autres algorithmes. Nous avons sauvegardé le résultat de docking sous format dpf, nous avons choisi la méthode Lamarckian GA, qui est une méthode hybride de local Search et Genetic Algorithme. Cette méthode peut 6
  7. 7. supporter plus de 8 liaisons rota tables. On peut lancer autodock avec la commande ci-après : autodock4 -p file.dpf -l file.dlg Pour vérifier que la procédure a s'est bien déroulé, en ouvrant le fichier file log avec l'extension dlg ( docking log)., en utilisant la commande tail -f file.dlg 5. La dernière étape est consacrée pour l'analyse des résultats du docking. Après avoir terminé avec succès la procédure de docking, les résultats sont enregistré dans un fichier sous l'extension dlg. Les résultats sont des fichiers log. Figure 7 : Résultat de docking 7
  8. 8. Le résultat de docking est présenté dans la figure ci-dessous, montre que 10 conformations sont les meilleures avec l'énergie de liaison. Pour bien expliquer, cela veut dire que les conformations avec l'énergie minimale présentent le meilleur résultat pour le docking. La figure ci-dessous présente l'interaction des ligands avec le site de protéines, après l'étape de docking Figure 8 : Interaction de ligand dans le site de protéine 8 Proteine Ligand Ligand candidat
  9. 9. Le meilleur résultat du docking est la conformation avec une faible énergie. Ici on voit que la technique de docking a sélectionnée 6 conformations candidates. Le résultat qu'on a obtenu montre que 6 ligands sont les candidats susceptibles qui interagissent le mieux avec le site de protéines. La capture ci-dessous présente le résultat de conformation des ligands candidats en fonction de l'énergie. On peut constater que le ligand avec l'énergie minimale présente un bon résultat de conformation. Figure 9 : Histogramme résultat de conformation Le résultat du criblage virtuel est enregistré dans un fichier avec l'extension pdbqt. Dans ce fichier on remarque le meilleur ligand candidat, celui avec une énergie minimale par rapport aux autres ligands. Après avoir terminer la procédure de docking, on peut sauvegarder le complexe protéine-ligand sous l'extension pdb, en utilisant la commande suivante sous linux. Le complexe protéine-ligand sont des lignes dans le fichier avec l'extension pdbqt qui commencent par le mot clé DOCKED. grep '^DOCKED' 1DY6Docki.dlg | cut -c9- > 1DY6Docki.pdbqt (1DY6Docki.dlg est le fichier que j'ai utilise) Ensuite il faut convertir le fichier pdbqt en format pdb, avec la commande : cut -c-66 1DY6Docki.pdbqt > 1DY6Docki.pdb Et pour créer un seule fichier pdb qui contient un complexe de récepteur et tous les modèles de ligand. On utilise la commande ci-après : cat recepteur.pdb 1DY6Docki.pdb | grep -v '^END ' | grep -v '^END$' > protLigandComplex.pdb 9 Meilleure resultat de docking
  10. 10. Le complexe protéine-ligand est présenté dans la figure ci-dessous. On observe les 10 conformations candidates, nous avons choisi celui avec l’énergie minimal pour un bon résultat de docking. Figure 10 : Le complexe protéine-ligand Conclusion Le processus de docking est un sujet essentiel pour progresser dans la compréhension des mécanismes d'interactions moléculaires et pour le développement d'outils prédictifs dans le domaine de médecine. Dans ce rapport, nous avons présente la procédure du docking avec AutoDock 4.2 en utilisant l'outil AutoDockTools, et nous avons appliqué les étapes de docking sur un exemple réel dans le but de comprendre cette technique. qui va nous aider dans la prochaine phase de lancement des jobs sur la grille pour faire le docking. Références [1] AutoDock based incremental docking protocol to improve docking of large ligands , Ankur Dhanik, John S McMurray† and Lydia Kavraki , 2012 [2] In silico drug discovery services in computing grid environments against neglected and emerging infectious diseases . Thèse JACQ Nicolas , 2006 [3] AutoDock Version 4.2 , User guide, 2009 10

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