Drug
Design: pour aller plus loin...
(1) Prédire les
protéines cibles d'une molécules avec SwissTarget
prediction
SwissTarget prediction est un
programme bioinformatique qui permet de prédire les protéines 'ciblées'
par une molécule donnée.
Pour cela, il compare la 'nouvelle'
molécule avec 280'000 molécules connues pour être bioactives contre
~2000 protéines cibles (selon ChEMBL).
- Un
exercice pour toucher du doigt les algorithmes
des programmes utilisés pour comparer les molécules entre elles en 2D
(pdf)
!!!
Attention: SwissTarget est un outil
de prédiction qui a un certain domaine de validité.
Selon les molécules testées, et sans
comprendre comment marche le programme, les résultats obtenus n'auront
aucun sens.
!!!
Pour utiliser SwissTarget prediction,
vous avez besoin de connaître le format 'informatisé' des molécules,
format appelé 'SMILES' (Simplified
molecular-input line-entry system)
(a)
Récupérer le format SMILES de votre molécule favorite:
- Aller sur Wikipedia (en)
- Chercher le nom de la molécule en
anglais (ex: arachidonic acid)
- Récupérer l'acide arachidonique en format SMILES:
CCCCC/C=C\C/C=C\C/C=C\C/C=C\CCCC(=O)O
(b) Sur le site
www.swisstargetprediction.ch:
- Copier/coller la molécule au format SMILES dans la box 'Paste a SMILES
in this box'. Le dessin de la molécule s'affichera automatiquement
- Cliquer sur 'Submit' (Predict the target)
- Résultats: COX1et COX2
(Prostaglandin GH synthase 1 et 2) font partie des protéines prédites
pour être la cible de l'acide arachidonique. L'acide arachidonique est
en fait le substrat naturel de ces 2 protéines ! L'acide arachidonique
est le précurseur des prostaglandines, des molécules qui jouent des
rôles importants dans les organismes vivants. Certaines sont
responsables, entre autre, du signal de la douleur
(c) Quelques molécules célèbres, leur
format SMILES, leur protéine cible et leur structure 3D (source
wikipedia)
- Thalidomide
(O=C(N1C2CCC(NC2=O)=O)C3=CC=CC=C3C1=O): la thalidomide est
une molécule qui a des propriétés anti-inflammatoires et
immunomodulatrices. L'un des substrats naturels de cette molécule a été
identifié en 2010: il s'agit de la protéine cereblon
impliquée dans la dégradation sélective des protéines (CRBN; PDB 4TZ4) (plus d'info).
Le domaine de CRBN impliqué dans la liaison de la thalidomine est très
conservé, des animaux aux bactéries mais le ligand naturel est encore
inconnu (publication).
Mais la thalidomide cible aussi COX1 et COX2 (cf les résultats
de SwissTargetPrediction): cette molécule a notamment été utilisée
comme anti-douleur et anti-nausée dans les années 60! Ses effets
tératogènes pourraient être dûs à son action sur la genèse des vaisseaux
sanguins. La thalidomide est aussi utilisée pour le traitement de la
lèpre, du SIDA et de divers cancers (myeloma, ...).
- Caféine (caffeine
CN1C=NC2=C1C(=O)N(C(=O)N2C)C): la caféine (théine) a été
découverte en 1819. Elle agit comme stimulant psychotrope et comme
léger diurétique. La caféine est la substance psychoactive la plus
consommée au monde. Elle est présente dans les graines, les feuilles et
les fruits de différentes plantes où elle agit comme insecticide
naturel, paralysant ou tuant les insectes qui s'en nourrissent. La
caféine cible un récepteur membranaire appelé ADORA2A
(Structure 3D: PDB 3pwh)
- Bisphenol
A (CC(C)(c1ccc(O)cc1)c1ccc(O)cc1): le bisphenol A ou BPA
est un œstrogène de synthèse développé en 1890. Cette molécule
polymérise et est largement utilisée pour la fabrication de certaines
résines ou plastiques (PVC, emballage alimentaire, biberons, ...).
On estime que 5,5 millions de tonnes de BPA ont été produites en
2011. En raison d’une polymérisation incomplète ou de la dégradation des
polymères suite à une exposition à des températures élevées, le monomère
BPA est libéré. Le BPA est détectable dans l'urine de presque
tous les adultes et enfants testés. Le BPA est un perturbateur
endocrinien connu: il se lie aux récepteurs aux œstrogènes (ESR1; Structure 3D:
PDB 1QKT).
- ATP
(O=P(O)(O)OP(=O)(O)OP(=O)(O)OC[C@H]3O[C@@H](n2cnc1c(ncnc12)N)[C@H](O)[C@@H]3O)
est entre autre le substrat naturel de nombreuses kinases, mais
pas seulement (cliquer sur les numéros d'accession UniProt ID dans
la page des résultats de SwissTarget prediction et vérifier que les
'autres' protéines 'target' lient aussi l'ATP)
- La codéine
(CN1CC[C@]23C4=C5C=CC(OC)=C4O[C@H]2[C@@H](O)C=C[C@H]3[C@H]1C5) est l'un
des alcaloïdes contenus dans le pavot. Elle est utilisée comme
anti-douleur et comme antitussif. Elle a été isolée pour la première
fois en 1832. La codéine est rapidement transformée en morphine
par notre organisme (à hauteur d’environ 10 % de la dose administrée).
La codéine cible les récepteurs aux opoïdes (OPRM1;
pas de structure 3D connue)
- Le Tetrahydrocannabinol (THC)
(CCCCCc1cc(c2c(c1)OC([C@H]3[C@H]2C=C(CC3)C)(C)C)O) est une substance
active dérivée du cannabis (marijuana), qui est utilisée pour le
traitement de certaines scléroses multiples. Le THC interagit avec le
récepteur CNR1
et CNR2
(il n'existe pas de structure 3D complète). Le substrat naturel de
ces récepteurs est un endocannabinoide (2-AG).
- La nicotine (CN(CCC1)[C@@H]1C2=CC=CN=C2)
est un alcaloïde puissant que l’on trouve dans les plantes de la famille
des solanacées (tabac) . Elle interagit avec une des sous-unités du
récepteur de l’acétylcholine (CHRNA/CHRNB/CHRND; Structure
3D). La nicotine est à la fois un stimulant et un relaxant.
Après la caféine, c’est la substance psychoactive la plus consommée au
monde. La nicotine a été largement utilisée comme insecticide dans le
passé.
- Paracetamol (Tylenol, Panadol)
(CC(NC1=CC=C(O)C=C1)=O) : le paracétamol est fréquemment utilisé pour le
traitement des maux de tête ou des douleurs liées aux refroidissments.
Le paracetamol ne fait pas partie de la classe des médicaments
‘anti-inflammatoires’ classiques (NSAID): son mécanisme d’action n’est
pas bien connu et il n’est qu’un très faible inhibiteur spécifique de
COX2. Le paracétamol, comme d'autres dérivés du phénol, interagit avec
les anhydrases carboniques (ref).
- Pénicilline
(CC1(C(N2C(S1)C(C2=O)NC(=O)CC3=CC=CC=C3)C(=O)O)C): la pénicilline est un
antibiotique qui cible des enzymes bactériens appelé Penicillin-binding
protein 1 et 2 (mrcA
et mrcB):
le blocage de ces enzymes empêche la synthèse des peptidoglycans de la
paroi bactérienne et donc la reproduction des bactéries. La
pénicilline cible également une
DD
peptidase (structure 3D PDB: 1PWC).
SwissTarget Prediction ne 'marche' qu'avec les 4 organismes suivants:
Homo sapiens, souris, rat, cheval et boeuf. Il n'est donc pas possible
de prédire la cible 'bactérienne' de la pénicilline.
- How
drugs work (PDB)?
Le site web
www.atelier-drug-design.ch
utilise un moteur de docking (plus rapide) et un système d'évaluation
de l'énergie de liaison différents de SwissDock,
et le docking de la molécule avec la protéine cible n'est calculé que pour
la région connue pour être le site actif de la protéine cible.
Certaines molécules pourraient cependant avoir plus d'affinité pour d'autres
régions de la protéine.
Le programme SwissDock permet de prédire à quel endroit de la protéine cible
la molécule va se docker, avec le meilleur score.
Pour utiliser ce programme, vous avez besoin de connaître le numéro
d'accession de la structure 3D (PDB) de la protéine cible (par exemple 1EQG
pour la protéine COX1) et le nom de la molécule
Après avoir sélectionné la 'target' et le 'ligand' (en ayant cliqué sur
'Search' à chaque fois), donné un nom au 'Job' et votre email, vous
pouvez cliquer sur 'Start Docking'. Le temps de calcul peut être très très
très long....
Le résultat (stocké pendant une semaine) comprend la structure 3D de la
protéine et une liste de plusieurs 'clusters' de sites différents où la
molécule 'peut potentiellement' se docker (avec les scores
correspondants).
En cliquant sur 'Show' le programme dessine la molécule à l'endroit
prédit.
(3)
Comment étudier la structure 3D des protéines cibles?
Il est possible de purifier, de
cristalliser les protéines et de les 'prendre en photo' grâce aux rayons
X.
Les résultats de ces
expériences sont stockés dans la banque de données PDB
(Protein Data Bank)
Les résultats de ces expériences
sont ensuite analysés à l'aide de programmes bioinformatiques: on peut
ainsi visualiser la structure 3D des protéines.
... Molecular
Machinery: A Tour of the Protein Data Bank
Les données de PDB sont disponibles depuis différents serveurs:
- Copier/coller le no d'accession PDB (par exemple: 1QKT pour le
récepteur aux oestrogènes, cible du bisphenol A)
- Cliquer sur JSmol
- Vous pouvez utiliser les options du 'Display option' pour visualiser
les différentes représentations possibles d'une structure 3D (rubban
(cartoon), ball and stick, space fill, backbone, ...)
(2) PDB
at EBI (PDB in Europe; PDBe)
- Copier/coller le no d'accession PDB (par exemple: 1QKT pour le
récepteur aux oestrogènes, cible du bisphenol A)
- Cliquer sur le lien 1QKT
- Cliquer sur '3D
Visualisation'
- Vous pouvez utiliser les options
proposées pour visualiser les différentes représentations possibles
d'une structure 3D
Avantage
de ce site: vous n'avez pas besoin d'une application Java à jour
.
Quelques chiffres intéressants:
- Un comprimé de 500 mg d’aspirine
contient 1.65 x 1021 molécules d’aspirine
- Un comprimé d’ibuprofène 400 contient 1.16 x 1021
molécules d’ibuprofène
Petit Rappel
...
la structure 3D des protéines (pdf)
... une vidéo
pour introduire la notion de 'protéine' et de structure 3D (Musique
des protéines)
... une animation
en musique pour mieux comprendre la structure 3D des protéines
(texte en anglais)
... une très belle galerie de photos, pour se faire
une idée de la taille relative de différentes protéines (agrandies x
3'000'000).
Pour nous contacter...