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6. Vers la compréhension des mécanismes                                        VHHs      expression                       ...
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7. Aide à la conception des médicamentsQu’est-ce qu’un médicament?                                               44
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7. Aide à la conception des médicaments                                                   46© Leem
7. Aide à la conception des médicamentsLes approches in silico peuvent aider en amont.Ils peuvent apporter une explicativi...
7. Aide à la conception des médicaments                                                             cluster 2             ...
7. Aide à la conception des médicamentsAinsi de manière similaire, il est possible de partir d’unepathologieDe manière cla...
7. Aide à la conception des médicamentsL’intérêt financier de la recherche pharmaceutique se réduit                       ...
7. Aide à la conception des médicamentsIl faut donc optimiser la recherche, une des nouvelleslimitations est la … plus gra...
7. Aide à la conception des médicamentsDes grands changements avec les ‘Omics’                                            ...
7. Aide à la conception des médicamentsGenes                    Genomics and Proteomics                              Bioin...
7. Aide à la conception des médicamentsDes exemples                                              54
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Institut français Oslo -Mercredi de la science - Les structures tridimentionnelles des protéines

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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

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Institut français Oslo -Mercredi de la science - Les structures tridimentionnelles des protéines

  1. 1. Les structures tridimensionnelles des protéines: comprendre le vivant à léchelle de latome et proposer de nouveaux médicaments par une approche informatique. Alexandre G. de BrevernINSERM 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. 2. Plan1. Le monde vivant2. Notre ami la cellule: ADN, ARN, protéines et les autres3. Les protéines et leurs fonctions4. Analyse des structures tridimensionnelles des protéines5. Pathologie et structure protéiques6. Vers la compréhension des mécanismes7. Aide à la conception des médicaments 2
  3. 3. 1. Le monde vivantQu’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. 4. 1. Le monde vivantla distinction entre organismes vivants et non vivants estparfois difficile. non vivant Virus vivant 4 ???
  5. 5. 1. Le monde vivantPour un scientifique, le vivant est létat et les formes auto-organisées et homéostatiques de la matière (organismes vivants) ayant une capacité de duplication et dévolution. L’ensemble composant la biosphère. Les expériences de Louis Pasteur ont réfuté la génération spontanée dorganismes 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. 6. 2. La cellule L’arbre de la Vie 6http://library.thinkquest.org/19012/treeolif.htm
  7. 7. 2. La celluleLa majorité des organismes uni- et pluricellulaire ont lesmêmes caractéristiques: 7
  8. 8. 2. La cellule ADNprotéines ARNSucres, ions,petits ligands Membrane(s) externe(s) wikipedia compartimentation 8
  9. 9. 2. La celluleLes grands composants sont donc ADN == mémoire transcription ARN traduction Protéines Modifications post-traductionnelles Interactions macromoléculaires 9 == Fonctions biologiques
  10. 10. 2. La cellule Même les virus ont des caractéristiques similairesARN protéine Membrane = lipides Virus du SIDA 10
  11. 11. 2. La celluleUn organisme (ex: Homme), c’est comprendre la celluleunité élémentaire, aussi bien individuellement que sescommunications avec d’autres cellules 11
  12. 12. 2. La celluleEt ensuite aller encore plus précisément au niveaumoléculaire, puis atomique 12
  13. 13. 3. Les protéines et leurs fonctionsQu’est-ce qu’une protéine ?Pas réellement du fuel … plutôt la voiture 13
  14. 14. 3. Les protéines et leurs fonctions Une protéine est un polymère, composé d’une unité élémentaire, l’acide aminéIls ont des caractéristiquessimples: 14
  15. 15. 3. Les protéines et leurs fonctionsStructure primaire (séquence) : la succession des acidesaminés.Structure tridimensionnelle (3D): la protéine repliée(potentiellement fonctionnelle) 15
  16. 16. 3. Les protéines et leurs fonctionsLes protéines sont de 3 types (fonctions distinctes) :globulaires A l’extérieur de dans la cellule la celluletransmembranaires membrane dans la cellulefibreuses dans la cellule 16
  17. 17. 3. Les protéines et leurs fonctionsDe l’interaction nait la fonction 17
  18. 18. 3. Les protéines et leurs fonctionsDes 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. 19. 3. Les protéines et leurs fonctionsUn exemple classique: les cycles métaboliques 19
  20. 20. 3. Les protéines et leurs fonctionsA plus grande échelle, une cellule (partiellement): 20
  21. 21. 4. Analyse des structures 3D des protéinesPourquoi s’intéresser aux structures protéiques: 21
  22. 22. 4. Analyse des structures 3D des protéinesC’est joli !!! 22
  23. 23. 4. Analyse des structures 3D des protéinesPermet de comprendre les mécanismes des fonctions auniveau atomiqueExemple du répresseur du tryptophane 23
  24. 24. 4. Analyse des structures 3D des protéines Permet de comprendre les mécanismes des fonctions au niveau atomique Exemple du répresseur du tryptophaneTrop de tryptophane induit l’interaction des deux protéines, d’où la 24 répression de l’opéron
  25. 25. 4. Analyse des structures 3D des protéines1 : cristallographie aux rayons X Proteins purificated + « magic potion » Diffraction Synchrotron Soleil Laser Cliché de diffraction Résolution Dépôt dans la PDB 25
  26. 26. 4. Analyse des structures 3D des protéines 2 : RMN Protéines purifiées … Séquence : GMANTQ RésolutionMagnetic fields for X secondes for H next N = HSQC 26 Chemical shift attribution map
  27. 27. 4. Analyse des structures 3D des protéinesLa Protein DataBank; 70 000 structures disponibles 27
  28. 28. 4. Analyse des structures 3D des protéines Avoir accès à la structure 3D permet de comprendre ce qui se passe 28enfin on espère …
  29. 29. 5. Pathologie et structure protéiques létude 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. 30. 5. Pathologie et structure protéiquesUn cas concret: la thrombasthénie de GlanzmannLa thrombasthénie de Glanzmann est une dysfonctionplaquettaire causé par une anomalie génétique touchant lesintégrines, des protéines présentes à la surface desplaquettes. Lorsque ce récepteur est absent ou qu’il nefonctionne pas correctement, les plaquettes ne collent (nes’agrègent pas) pas les unes aux autres au siège de la lésion,ce qui entrave la coagulation du sang. 30
  31. 31. 5. Pathologie et structure protéiquesDes mutations ponctuelles sont déterminées 31
  32. 32. 5. Pathologie et structure protéiquesSur la protéine b3 (du complexe α2b β3), nous avons unemutation d’une Lysine en position 253 par une Méthionine. 32
  33. 33. 5. Pathologie et structure protéiquesLes intégrines sont des ‘Transformers’ de très grande taille 33
  34. 34. 5. Pathologie et structure protéiquesComment peut-on comprendre ce qui se passe ? 34
  35. 35. 6. Vers la compréhension des mécanismesNous avons la structure initiale (sauvage).In silico, on change l’acide aminé Lysine 253 par laMéthionineNous observons que le changement ne change pas latopologie de la protéinePassage de positif à neutre localement 35
  36. 36. 6. Vers la compréhension des mécanismesCalcul énergétique effectuée entre le sauvage et le mutantAlors que la mutation est à la périphérie de l’interface, ilcorrespond à l’interaction la plus importante du complexe. 36Non documenté préalablement…
  37. 37. 6. Vers la compréhension des mécanismesAutre example: une anémie dyserythropoietic congenitaledyserythropoietic.10 ans de travail pour trouver la (les) cause(s) 37
  38. 38. 6. Vers la compréhension des mécanismesici une mutation ponctuelle, sur un facteur de transcription 38
  39. 39. 6. Vers la compréhension des mécanismesAugmentation de l’interaction 39
  40. 40. 6. Vers la compréhension des mécanismesUtilisable aussi pour améliorer des techniquesExemple d’un kit de détection de l’infection paludique parPlasmodium vivax.Il s’agit de détecter une protéine impliquée dans l’infection. 40
  41. 41. 6. Vers la compréhension des mécanismes VHHs expression immunisation 41
  42. 42. 6. Vers la compréhension des mécanismes 42
  43. 43. 6. Vers la compréhension des mécanismes Un grand nombre de VHHs sont obtenus. Certains marchent mieux que d’autres. Pourquoi ? analysemodèlisation optimisation 43
  44. 44. 7. Aide à la conception des médicamentsQu’est-ce qu’un médicament? 44
  45. 45. 7. Aide à la conception des médicamentsQu’est-ce qu’un médicament?Un médicament est une substance présentée commepossédant des propriétés curatives, préventives ouadministrée en vue détablir un diagnostic. Un médicamentest le plus souvent destiné à guérir, à favoriser la guérison, àsoulager ou à prévenir des maladies humaines ou animales. 45
  46. 46. 7. Aide à la conception des médicaments 46© Leem
  47. 47. 7. Aide à la conception des médicamentsLes approches in silico peuvent aider en amont.Ils peuvent apporter une explicativité des résultats déjàobtenus. 47
  48. 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 101structures 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. 49. 7. Aide à la conception des médicamentsAinsi de manière similaire, il est possible de partir d’unepathologieDe manière classique voici un pipeline de recherche 49
  50. 50. 7. Aide à la conception des médicamentsL’intérêt financier de la recherche pharmaceutique se réduit 50
  51. 51. 7. Aide à la conception des médicamentsIl faut donc optimiser la recherche, une des nouvelleslimitations est la … plus grande diversité des molécules !!! 51
  52. 52. 7. Aide à la conception des médicamentsDes grands changements avec les ‘Omics’ 52
  53. 53. 7. Aide à la conception des médicamentsGenes 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. 54. 7. Aide à la conception des médicamentsDes exemples 54
  55. 55. 7. Aide à la conception des médicaments 55
  56. 56. 7. Aide à la conception des médicaments 56
  57. 57. 7. Aide à la conception des médicaments 57
  58. 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 58
  59. 59. 7. Aide à la conception des médicamentsUn problème énorme: la toxicité des produits pour l’êtrehumain la recherche ADME-Tox 59
  60. 60. 7. Aide à la conception des médicamentsOn a donc des données de produits donc on connait les effetsnégatifs et d’autres considérés comme sans effet néfaste pourl’être humain sain (à définir).On modélise des règles pour le prendre en compte.Et prédire l’innocuité de composés non testés. 60
  61. 61. 7. Aide à la conception des médicamentsEn réalité aussi beaucoup d’approches statistiques.Toutefois … 61
  62. 62. 7. Aide à la conception des médicamentsIl n’est pas possible de s’assurer qu’il n’y aura jamaisd’effets secondaires carOrganisme pluricellulaireDes centaines de types cellulaires différentsDes communications entre cellules peu connuesVariabilité génétique immense, environnement, nourriture … 62Beaucoup beaucoup de facteurs
  63. 63. 7. Aide à la conception des médicamentsQu’est-ce qu’un médicament?Un médicament est une substance présentée commepossédant des propriétés curatives, préventives ouadministrée en vue détablir un diagnostic. Un médicamentest le plus souvent destiné à guérir, à favoriser laguérison, à soulager ou à prévenir des maladies humainesou animales. 63
  64. 64. RemerciementsProgramme AsgardAmbassade de France en NorvègeINSERMINTSUniversité Paris Diderot – Paris 7 64

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