Ateliers de bioinformatique

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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)

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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.

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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

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).

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)?

(2) SwissDock: www.swissdock.ch/docking (plus difficile)

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:

(1) PDB at RCSB

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).