Nous avons pour première vocation une activité de support aux expérimentateurs (biologistes et chimistes) du laboratoire de chimie et biologie des métaux pour l'exploitation de leurs données grâce à des modèles théoriques. Nous menons également des projets collaboratifs avec diverses équipes de biologistes, chimistes et informaticiens sur le site de Grenoble
Les méthodes que nous utilisons balaient un large spectre depuis la bioinformatique (screening in silico) jusqu'aux techniques les plus avancées de QM/MM (réactivité des sites métalliques des métalloprotéines dans leur environnement protéique) en passant par la prédiction de structure de protéines et la mécanique (MM) et la dynamique moléculaires (DM) classiques. Nous développons également divers programmes, tels qu'un programme de visualisation moléculaire et participons à un projet de simulateur adaptatif.
Groupe de Modélisation et Chimie Théorique
 Responsable |
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| Membres de l'équipe |
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| Yohann Moreau, Maître de conférence à l'Université Joseph Fourier de Grenoble | ||
   Serge Crouzy - Yohann Moreau |
| 1 Présentation générale du groupe |
 1.1 Vocation scientifique |
| 1.2 Personnel |
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• Serge Crouzy, Chercheur CEA, tel 04 38 78 29 63
• Yohann Moreau, MCF UJF Grenoble tel 04 38 78 29 62 • Cheickna Cissé, Étudiant en thèse (codirection avec l'équipe BioMet), tel 04 38 78 48 48 • Étudiants stagiaires en 2011 : Justine Lévêque (L3), Magda Benisz et Antoine Fouquet (M1), Silouane Gérin (DUT) tel 04 38 78 48 48 • Anciens collaborateurs cités dans ces pages : Michel Ferrand (chercheur CEA), JF Fuchs et H Nedev (PostDocs), David Poger et Karthik Arumugam (Thèses), J Flocard, M Ortega, Mathieu Isorce, Mael Bosson, Hugo Deboise (stagiaires) |
| 2 Activité scientifique |
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| 2.1 Chimie Théorique : Réactivité des métalloprotéines |
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| 2.1.1 Étude de la réactivité de « spore Photoproduct Lyase » Yohann Moreau, (Collaboration équipe LCBM/BioCat et Inac) |
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La résistance au rayonnement UV de l'ADN des spores dormantes de bactéries telles que Bacillus repose sur l'activité de l'enzyme à Fer-Soufre ''spore photoproduct lyase'' (SPL). Le rôle de cette dernière est de catalyser la réparation d'une lésion de l'ADN formée d'une liaison entre deux thymines adjacentes (Figure suivante). Des études expérimentales et théoriques ont montré que le mécanisme faisait intervenir le radical 5'-deoxy-adenosyl.
 Processus d'endommagement par rayonnement et de réparation par la SPL d'un dimère de thymines dans l'ADN. Un travail préliminaire sur un modèle quantique simple a montré l'influence de la conformation du substrat sur la réactivité et ainsi mis en évidence l'importance de la prise en compte de l'environnement dans l'étude du mécanisme réactionnel. Afin de modéliser le mécanisme de réparation en travaillant sur un système réaliste, nous devons alors prendre en compte la structure du site actif, ainsi que le brin d'ADN endommagé en interaction avec l'enzyme. L'utilisation de la méthodologie QM/MM nous permet alors d'être en mesure de proposer un mécanisme rendant compte de la réalité biologique. |
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| 2.1.2 Aide à la fonctionnalisation de protéines Yohann Moreau, (Collaboration Vincent Forge, Nicolas Durrafourg, équipe LCBM/AFFOND) Stagiaire L3 : Justine Lévêque Stagiaire M1 : Magda Benisz |
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L'essor actuel des nanotechnologies conduit à imaginer la possibilité de modifier les structures naturelles que sont les protéines pour en faire des éléments aux propriétés contrôlées. Ainsi, il est tout à fait envisageable, grâce à la mutagenèse dirigée, d'en modifier un domaine pour un faire un site actif dont le rôle sera finement défini. Cependant, le nombre important de modifications possibles sur une seule protéine nous conduit à envisager, au préalable, une série d'études théoriques afin de déterminer quelles seront les plus à même de donner les propriétés voulues.
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| 2.1.3 Rôle des résidus voisins du site actif dans l'oxydation catalytique de hydroxyphényl pyruvate par HPPD Yohann Moreau, Serge Crouzy (Collaboration avec l'équipe de Michel Matringe du Laboratoire de Physiologie Cellulaire & Végétale de l'iRTSV) |
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Nous nous sommes attaché à étudier le rôle des certains résidus adjacents au site actif dans le chemin réactionnel. En effet des expérience de mutagenèse dirigée de ces résidus ont montré leur rôle crucial. A l'aide de l'approche QM/MM utilisant un modèle de coupure de type link-atom et la polarisation directe de la région QM par le 'environnement MM, nous avons donc étudié les structures correspondant aux étapes clés de l'oxydation de HPPD en HGA. Nos calculs ont en particulier mis en évidence une forte interaction du groupement hydroxyde du substrat avec deux résidus (S260 et N275) sous forme de deux liaisons hydrogène ((Figure ci-contre) au cours du processus réactionnel. Cette interaction a pour conséquence de contraindre l'orientation du substrat par rapport au site actif et ainsi de favoriser le chemin réactionnel conduisant à la formation de HGA. Ces données viennent ainsi étayer les résultats de mutagénèse dirigée qui on montré une différence notable d'activité quand les résidus concernés sont remplacés par d'autres moins polaires. Ces résultats sont publiés dans Journal of Biological Chemistry [13]. |
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| 2.2 Modélisation, Prédiction de structure et Dynamique Moléculaire des métalloprotéines |
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| 2.2.1 Introduction |
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La modélisation c'est-à-dire le recours à un modèle simplifié pour expliquer un phénomène a trois applications principales en biologie et chimie :
• Raffinement de structures. En RMN par la donnée de distances inter-atomiques (2 à 5 Å) et d'angles dièdres. En cristallographie aux rayons X par la donnée de diagrammes de diffraction. • Prédiction de structure. Prédiction de la structure secondaire ou tertiaire des protéines à partir de leur séquence : Modèles par homologie. Extraction d'images temporelles de l'évolution d'un système simulé en MM classique servant de base à une étude de type QM/MM.• Simulation : une expérimentation numérique in silico complémentaire aux expériences classiques in vitro ou in vivo permettant : de calculer des observables expérimentales et de tenter de déduire les mécanismes qui les déterminent. d'obtenir de grandeurs au-delà des possibilités expérimentales dans des conditions parfaitement contrôlées de pureté, pression, température. de tester notre compréhension d'un phénomène à l'échelle atomique. de visualiser les conséquences de l'agitation thermique sur les structures macromoléculaires (accès de substrats à des sites enzymatiques, transitions conformationnelles, influence de l'eau, couplages entre mouvements.) Notre activité recouvre les trois thématiques précédentes mais l'aspect simulations de macromolécules afin de comprendre certains aspects de leur fonction à partir de leur structure est prépondérant. Dans une approche MM classique, toute molécule étant l'association de divers atomes, la cohésion de cet ensemble résulte des interactions répulsives et attractives entre les atomes et va être modélisée par un système purement mécanique de forces, sans prendre en compte la nature microscopique et électrostatique (quantique) des interactions entre les électrons et les noyaux. Une macromolécule est ainsi modélisée par un réseau de masses ponctuelles chargées en leur centre, reliées par des ressorts et interagissant via des potentiels empiriques. Suivre ce lien pour une brève introduction à la mécanique (MM) et à la dynamique moléculaires (DM). Nous présentons dans la suite quelques illustrations de nos travaux en cours selon trois axes principaux : Dans une approche de chimie théorique par mécanique quantique QM, le système, souvent un site actif de protéine, est modélisé au niveau électronique avec une approche dite ab initio (non paramétrée). Dans l'approximation de Born Oppenheimer, les noyaux atomiques sont considérés comme fixes dans l'étude des mouvements des électrons. Enfin, dans une approche de type QM/MM, une grande partie de la macromolécule est traitée en MM et même, en partie gelée, tandis que le site d'intérêt est traité en QM. |
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| 2.2.2 Développement de potentiels modèles pour le cuivre(i) et le mercure(ii) (JF Fuchs, H Nedev, Michel Ferrand) et Serge Crouzy (Collaboration avec JP Dognon et N Brenner, CEA Saclay) |
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Nous avons développé de nouveaux champs de force de mécanique moléculaire basés sur CHARMM, pour étudier les interactions entre métaux lourds Cu(I) et Hg(II) et les métallo-chaperonnes de la famille d'Atx1. Les paramètres du champ de force sont optimisés à partir de calculs de chimie quantique (ab initio) sur de petits fragments mimétiques de la boucle de chélation des métaux dans Atx1. Nous nous sommes focalisés sur les paramètres impliquant l'ion métallique et les atomes de soufre des 2 cystéines du site de chélation ; l'exemple de l'ajustement du potentiel ab initio correspondant à la rotation de l'angle dièdre φCSSC par une fonction cos dans le champ de force de CHARMM est détaillé sur la figure suivante.
 Vue du fragment Cu(I)-diméthyl-thiolate mimétique du site de liaison des métaux de la protéine Atx1. De l'étude par chimie quantique de la variation de l'énergie du fragment lorsque l'on fait tourner le plan C1S1S2 par rapport au plan S1S2C2 d'un angle φ, on déduit les paramètres kφ et δ du champ de force conduisant au meilleur ajustement entre énergie ab initio et énergie MM. A partir de ces paramètres, nous effectuons de longues simulations de DM des métallochaperones sous forme apo ou en présence de Cu(I) ou Hg(II). Les protéines sont insérées dans des boites d'eau et simulées en conditions périodiques. |
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| 2.2.3 Étude de transfert du métal entre chaperonnes et ATPases Serge Crouzy, (David Poger, Karthik Arumugam) |
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Nous menons un projet portant sur la spécificité et l'affinité de l'interaction de différents ions métalliques (Cu+, Hg2+, Cd2+, Pb2+) pour les métallo-chaperonnes à Cu(I) (Atx1 dans la levure et Hah1 chez l'homme) et pour leurs ATPases associées (Ccc2 et Menkès, respectivement). L'étude de la dynamique de la métallochaperone Hah1 et de la sélectivité de la liaison du Cu+ et du Hg2+ sur cette protéine a été réalisée par David Poger pendant sa thèse au laboratoire [1, 7]. Une caractéristique intéressante des ATPases de type P1 (voir 2.4.1) est la présence en N-ter de un à six domaine(s) de liaison des métaux (MBDS). Dans le cas de l'ATPase de Menkès, il y a 6 MBDs, chacun pouvant lier un ion Cu+. La structure de chaque MBD est connue. En utilisant des simulations de DM, nous avons étudié la dynamique de chaque MBD en présence ou absence de métal dans le but de comprendre comment le métal est transféré de la métallochaperone qui prend en charge le métal lors de son entrée dans la cellule au MBD. Ces études ont utilisé notre travail dans le domaine de la paramétrisation des ions métalliques pour des champs de force de mécanique moléculaire (voir 2.2.2). Les figures suivantes (Figures A et B suivantes) montrent les interactions possibles entre la métallochaperone soluble Hah1 et le premier domaine de liaison des métaux (Mnk1) de son partenaire membranaire : l'ATPase de Menkès.
A - Cartes de potentiel électrostatique et structure secondaire, dans la même orientation, pout Hah1 et le domaine de liaison 1 de l'ATPase de Menkès (Mnk1). Les 2 protéines ont été tournées de 90 degrés afin de présenter à la vue leurs faces en interaction. Hah1 contient un cuivre (sphère jaune) qu'elle est censée transférer à Mnk1 dans son état Apo.  B - Représentations de la métallochaperone Hah1 et du premier domaine de l'ATPase de Menkès (Mnk1) tels qu'ils devraient interagir (après rapprochement) dans l'hypothèse d'une interaction à dominante électrostatique. Les dipôles électriques alignés des deux protéines sont représentés. Le bon accord de nos résultats de DM sur les MBDs avec les connaissances expérimentales a montré que des modèles mécaniques sont capables de rendre compte et d'expliquer certaines propriétés de liaison et de transport des métaux dans les métalloprotéines et les ATpases, cibles pharmaceutiques bien connues. |
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| 2.2.4 Dynamique d'un complexe peptide-Gd3+ pour l'IRM Serge Crouzy (Collaboration avec P Fries et P Delangle du CEA/Inac/SCIB) |
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L'ion Gd3+ présente une très forte valeur de spin électronique (S = 7/2) à cause de 7 électrons 4f non appariés et donc un moment paramagnétique exceptionnellement élevé. Lorsque des complexes Gd3+-Ligand en solution sont placés dans un champ magnétique, les temps de relaxation des spins nucléaires du solvant, mesurés par RMN (1/T1, 1/T2) sont fortement augmentés. En IRM (Imagerie par Résonnance Magnétique) la relaxivité des protons de l'eau est importante puisqu'elle est une mesure de l'efficacité du complexe GdL à améliorer le contraste des images. Un des buts de l'équipe de P Fries et P Delangle est donc de mettre au point des agents de contraste conférant une forte relaxivité à l'eau qui les entoure. P Fries mène des études théoriques dans lesquelles il distingue 3 types de dynamique intermoléculaire des molécules d'eau : sphère externe (« bulk »), sphère interne dans laquelle on trouve les molécules d'eau liées à l'ion Gd3+ et enfin seconde sphère dans laquelle les molécules d'eau interagissent avec le ligand L. Nous avons réalisé des simulations de DM de l'ion Gd3+ coordonné au ligand peptidique (L) = DREPGEWDPG dans l'eau afin de déduire des paramètres de diffusion et relaxation des molécules d'eau nécessaires pour ajuster les modèles théoriques (cliquer sur l'animation ci-dessous pour sa lecture). Nous avons ainsi montré une forte contribution des molécules d'eau de seconde sphère à la relaxivité mesurée.
Animation montrant le mouvement des molécules d'eau autour de l'ion Gd3+ coordonné par le peptide (L). sur une durée de 100 ps. Les molécules d'eau de seconde sphère (oxygène en vert) présentent de grandes amplitudes de déplacements indiquées en Å malgré les conditions périodiques artificielles introduites par la boite de simulation. Les temps de résidence de ces molécules d'eau autour du peptide dépassent la durée de l'animation (100 ps) tandis que les molécules d'eau de première sphère (oxygène en orange) restent liées à l'ion mais oscillent autour de celui-ci. |
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| 2.3 Amarrage moléculaire « Docking » |
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| 2.3.1 Modélisation de l'inhibition du régulateur de transcription FUR par des aptamères peptidiques Travail de thèse de Cheickna Cissé (Collaboration avec Isabelle Michaud Soret de l'équipe BioMet) |
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La protéine FUR (Ferric Uptake Regulator) est une cible antibactérienne potentielle. Elle régule des fonctions essentielles chez les bactéries et est spécifique des microorganismes. Au laboratoire des inhibiteurs interagissant spécifiquement avec FUR ont été isolés par la technologie des aptamères peptidiques. Le but du travail de l'équipe d'Isabelle Michaud-Soret est de comprendre le mécanisme d'inhibition de la protéine et d'en déduire d'autres molécules inhibitrices pour des applications thérapeutiques. Des études de modélisation et d'interaction biochimiques sont menées pour aboutir à cette fin.
L'étude de l'interaction de la protéine FUR et des inhibiteurs par amarrage moléculaire (« Docking ») avec AUTODOCK4.2 a permis de proposer des interactions entre les atomes des inhibiteurs et les acides aminés de la protéine. Les modèles par homologie de la protéine FUR ont été construits avec MODELLER en présence d'ions métalliques Fe2+. Les interactions trouvées par Docking ont été examinées par le test de liaison à l'ADN de FUR. Un modèle de l'interaction de FUR+3Fe avec un inhibiteur (noté I1) a été proposé ; ce dernier présente une excellente affinité théorique pour la forme activée de Fur. Dans cette configuration, l'inhibiteur interagit dans une poche protéique où il inhibe la liaison de la protéine à l'ADN et agit sur les deux domaines de la protéine (Figure suivante). Ce résultat s'accorde avec les travaux antérieurs de double hybride faits avec les aptamères peptidiques indiquant que cet inhibiteur nécessite les deux domaines de la protéine pour interagir. -Dans le cadre d'une collaboration avec un laboratoire Norvégien, via le programme AURORA, un screening a été réalisé avec 2 programmes d'amarrage moléculaire commerciaux : GLIDE et GOLD permettant d'identifier des petits ligands qui s'amarrent dans la même poche que l'inhibiteur I1, avec une bonne affinité. Ces petites molécules feront l'objet de tests expérimentaux prochainement.   À gauche : Modèle de FUR d'E. coli par homologie avec FUR de Vibrio cholerae et en présence de 3 atomes métalliques par monomère (sphères vertes) et à droite représentation 3D de l'inhibiteur I1 amarré sur le modèle de la protéine FUR avec Autodock. (Représentations avec VMD). Une surproduction de FUR d'E. coli suivie d'une purification sont faites au laboratoire avec pour but de faire des essais de co-cristallisation protéine FUR/peptide pF1. Les premiers essais faits par Sandra Galop et envoyés à l'IBS montrent des résultats encourageants. D'autres conditions d'essais et d'optimisation ont été réalisées à Tromso dans le cadre d'une collaboration (projet AURORA). Les premiers résultats montrent la formation de miniscules cristaux dans certaines conditions. |
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| 2.4 Modélisation des protéines membranaires et insertion de protéines dans les membranes |
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Au sein du laboratoire Chimie et Biologie des Métaux, certains chercheurs ont gardé une expertise et un grand intérêt pour les protéines membranaires, transporteurs ABC, canaux ioniques et ATPases. Nous présentons ci-après quelques travaux passés qui gardent un intérêt, au moins méthodologique, ainsi que des travaux en cours grâce à des financements de l'Agence Nationale pour la Recherche.
Citons en premier lieu nos travaux théoriques sur les ATPases, spécialité des biologistes de l'équipe BioMet avec lesquels nous collaborons. |
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| 2.4.1 Modélisation des ATPases à métaux lourds (Karthik Arumugam), Serge Crouzy (Collaboration avec Patrice Catty LCBM/BioMet, thèse de Karthik Arumugam coencadrée par Stéphane Redon, Inria) |
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La connaissance de la structure des ATPases de type P est d'un grand intérêt dans nos études qui visent à comprendre le transport des métaux. Les ATPases de type P sont des protéines membranaires qui assurent le transport actif d'ions contre leur gradient électrochimique en utilisant l'énergie fournie par l'hydrolyse de l'ATP. Il y a une dizaine d'années ont été découvertes des ATPases spécialisées dans le transport de métaux lourds, divalents Pb2+, Hg2+, Co2+, Zn2+ ou Cd2+, ou monovalents Ag+ et Cu+. Elles forment une sous-famille, dénommée P1, encore assez mal connue. Parmi les ATPases de type P connues depuis plusieurs décennies seule l'ATPase-Ca2+ du réticulum sarcoplasmique a été cristallisée à ce jour et sa structure a été résolue dans diverses conformations. C'est donc tout naturellement cette protéine, dont le cycle enzymatique est bien connu, qui sert de modèle biochimique et structural pour l'étude de toutes les autres ATPases de la famille. Depuis quelques années, les biochimistes et enzymologistes du laboratoire se sont attachés à mieux comprendre le mécanisme de transport des métaux lourds au travers d'une membrane, en étudiant la protéine CadA, l'ATPase-Cd2+ de Listeria monocytogenes, homologue de l'ATPase à cuivre Ccc2 rencontrée dans la levure. L'absence de données structurales concernant CadA ou Ccc2, impose de raisonner par homologie avec l'ATPase calcium, pour interpréter les résultats expérimentaux portant sur le transport actif du cadmium ou du cuivre.
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| 2.4.2 Modélisation des canaux ioniques |
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Nous nous intéressons également depuis longtemps à la structure et à la fonction des canaux ioniques [3] qui permettent le passage sélectif d'environ 109 ions dans le sens de leur gradient électrochimique ainsi qu'aux transporteurs ABC [2, 8] présents chez les bactéries et les eucaryotes. Et qui permettent soit l'import, soit l'export d'une grande variété de substrats, drogues.
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| 2.4.2.1 Amarrage moléculaire du TEA sur un canal ionique Serge Crouzy (Collaboration avec Benoît Roux - Université de Chicago) |
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Dans le cadre d'une étude théorique du transport ionique dans les canaux, nous avons étudié le blocage du canal potassique KcsA par le Tetra Ethyl Ammonium (TEA) par simulations de DM sur le canal muté ainsi que plusieurs de ses mutants dans un environnement membranaire explicite. Nous avons montré, en très bon accord avec l'expérience, par des calculs de profils d'énergie libre de la liaison du TEA sur le canal que ce dernier se liait préférentiellement sur les canaux présentant un résidu aromatique en position 82.
 Vues (selon le plan de la membrane, à gauche, et le long de la normale à la membrane, à droite) du canal potassique KcsA bloqué par le TEA. Les molécules d'eau et les ions potassiques (sphères jaunes) à l'intérieur de la cavité et dans le filtre de sélectivité sont représentés en CPK ainsi que le TEA. Les lipides sont omis pour plus de lisibilité. |
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| 2.4.2.2 Mécanisme de transfert du signal conduisant à l'ouverture d'un canal ionique (Karthik Arumugam), Serge Crouzy (collaboration avec Michel Vivaudou et C Moreau, IBS Grenoble) - Post-doc recherché (ABG-30009) |
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Nous travaillons avec l'équipe de Michel Vivaudou sur le projet ANR ICCR (Ionic Channel Coupled Receptors). Un ICCR est un récepteur membranaire (GPCR : récepteur aux protéines G) couplé à un canal ionique pour former un canal artificiel dont l'ouverture est régulée par le ligand du récepteur. Un premier ICCR a été construit dans l'équipe de Michel Vivaudou, par l'ingénierie des protéines de fusion entre le canal potassique Kir6.2 et un GPCR prototype le récepteur muscarinique humain : HM2. Les changements de conformation qui résultent de la fixation du ligand acétylcholine (ACh) sur HM2 sont transmis à Kir6.2 et les courants ioniques résultant (pA) sont détectés avec des techniques électrophysiologiques.
Nous recherchons, par modélisation, une approche rationnelle pour la construction de nouvelles protéines de fusion fonctionnelles. Le travail en cours consiste à prédire les structures des partenaires (lorsqu'elles sont inconnues), positionner in silico le GPCR par rapport eu canal, construire le tétramère fonctionnel puis rechercher le mécanisme de transduction du signal entre GPCR et canal conduisant à l'ouverture (ou à la fermeture) de ce dernier. La figure suivante montre un premier modèle de structure de HM2 couplé à Kir6.2.
  Modèle de structure du récepteur aux protéines G muscarinique humain HM2 couplé au canal potassique Kir6.2. Chaque monomère du tétramère est représenté d'une couleur différente. A : vue de dessous, côté cytoplasmique. B : vue de face. |
| 3 Développement de logiciels |
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| 3.1 Champ de force pour un Simulateur de DM Adaptatif et applications Serge Crouzy, A Fouquet (J Flocard, Mathieu Isorce, Mael Bosson, Hugo Deboise) (Collaboration avec Stéphane Redon - Équipe Nano-D de l'Inria) |
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SAMSON permet de simuler des protéines représentées sous formes d'objets rigides articulés (Figure de droite). Le calcul des énergies et des forces est adaptatif au sens où l'ordinateur détermine automatiquement, selon le niveau de précision choisi par l'utilisateur, quelles sont les articulations dont les accélérations sont calculées à chaque pas de temps. Notre rôle est d'aider à l'implémentation dans SAMSON de divers champ de force utilisés en biologie et en chimie. Dans la version actuelle nous prenons en compte deux représentations classiques adaptées à la dynamique dans l'espace des angles dièdres : un modèle tout atome (Type CHARMM22) et un modèle atome étendu (Type CHARMM19) (stage de Mathieu Isorce) et un modèle de molécules carbonées autorisant des ruptures de liaison (BRENNER) : (stage de Mael Bosson). Nous avons récemment travaillé à l'ébauche d'un modèle dans l'espace des coordonnées cartésiennes et d'un modèle de simulation « gros grain » (modèle de Martini) dans lequel plusieurs atomes sont regroupés à l'intérieur d'une même entité moléculaire traitée comme un corps rigide. (stage de Hugo Deboise). Le but ultime est la modélisation de systèmes multi-composants et multi-échelles tels que celui représenté sur la Figure A suivante. Grâce à une collaboration avec l'équipe de Michel Vivaudou à l'IBS (voir 2.4.2.2) nous avons commencé à utiliser le logiciel pour l'application de forces ayant pour but de reproduire les changements de conformations résultant de la fixation d'un ligand sur un récepteur membranaire Figure B suivante.  
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| 3.2 Modélisation « gros grain » |
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Des simulations de protéines dans un milieu aqueux explicite d'une durée d'une centaine de nanosecondes sont actuellement possibles. Cependant, la dynamique et la plupart des interactions pertinentes au sein des cellules (amarrage protéine-protéine, réarrangement suite à la fixation d'un ligand ou après une réaction biochimique, repliement) se produisent sur des échelles de temps pouvant dépasser la milliseconde, et impliquent de grands agrégats macromoléculaires. La simulation de tels systèmes n'est actuellement pas réalisable avec des modèles tout-atome. De plus, dans certains cas, les simulations au niveau atomique peuvent ne pas être les mieux appropriées pour une validation expérimentale car un nombre croissant d'agrégats biomoléculaires sont étudiés en utilisant des techniques de faible à moyenne résolution (tels que la cryo-microscopie électronique et la diffusion aux petits angles des rayons X). Ainsi, l'idée d'utiliser des descriptions simplifiées grâce à « l'intégration » d'un grand nombre de degrés de liberté dans un modèle de « grain » plus grossier que le niveau atomique parait naturelle. Cependant, la paramétrisation de ces grains peut s'avérer ardue, aussi, avons-nous choisi d'utiliser des modèles connus et validés (MARTINI) dans nos simulations dont un exemple est montré sur la figure ci-dessous.
   A - Modèle de l'ATPase calcium (voir 2.4) insérée dans une bicouche phospholipidique en modèle tout atomes. B - Représentation « gros grain » du même système. Chaque acide aminé est simplifié en 2 ou 3 sphères, les têtes polaires des phospholipides en 5 et les queues hydrophobes en 6 sphères. Les sphères interagissent entre elles vis un potentiel de type Martini modifié pour les protéines. C - Modèle gros-grain de l'ATPase seule dans Sansom. |
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| 3.3 Logiciel de visualisation MPV3D Serge Crouzy, Silouane Gérin (JD Lafontaine, MK Sautriau, M Ortega, JF Legout, J Flocard) |
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Le développement de ce logiciel n'avait pas pour but de concurrencer les très bons programmes VMD, PYMOL… mais plutôt d'insister sur des fonctionnalités absentes ou complexes dans ces logiciels et pourtant très utiles lors des phases initiales d'une modélisation. Par exemple :
- Outil de sélection rapide - Grande souplesse dans la gestion de l'affichage d'un grand nombre de molécules (pdb) - Superposition de structures - Affichage clair et rapide des labels sur les atomes et résidus - Interfaçage au programme CHARMM Divers étudiants stagiaires se sont succédé pour contribuer à ce programme : (JD Lafontaine, MK Sautriau, M Ortega, JF Legout, J Flocard…) Nous poursuivons le développement du logiciel. Le système de sélection et de superposition de structures a été amélioré ; nous pouvons maintenant superposer des parties de molécules différentes. Le module de visualisation de trajectoires de dynamique moléculaire a été amélioré. Nous avons ajouté une fonction de lecture de fichiers de structures RMN et un module d'analyse de ces fichiers. Le programme a été porté sous QT4 pour systèmes Linux (Figure ci-dessous)  Présentation de la fenêtre principale et de la fenêtre de sélection du programme MPV3D. L'image montre une simulation d'un récepteur aux protéines G inséré dans une membrane phospholipidique de DPPC en modèle tout atomes incluant solvant et contrions. |
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| 3.4 Développement d'utilitaires en libre accès Serge Crouzy |
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Nous avons développé toute une série d'outils d'analyse et de visualisation, la plupart en relation avec le programme de dynamique moléculaire CHARMM. Ces programmes sont disponibles pour les académiques par simple demande auprès de Serge Crouzy et citation des articles correspondants à ces travaux.
Programmes en C : - Multibox : permet de créer des boites d'eau (pdb ou crd) de différente forme - IR2D : Calcul de deux spectres bidimensionnels à partir d'un ensemble de spectres 1D enregistrés au cours de la cinétique de repliement d'une protéine, par exemple, par double transformée de Fourier. Un des deux spectres permet la mise en évidence de changements de structures corrélés pendant la réaction, l'autre spectre permet la détection de changements asynchrones (Noda I. Appl. Spectroscopy, 1998, 47: 1329-1336). Ce type d'analyse a été appliqué au laboratoire tant en spectroscopie FTIR qu'en RMN. (collaboration avec Vincent Forge de l'équipe AFFOND) Scripts shell : - Stride2gnu.sh, stride2gnu.com et stride.gnu : permet de créer un graphique de l'évolution des structures secondaires d'une protéine à partir d'une série de PDBs Scripts input pour CHARMM : - Addions.inp : adds counterions to a protein structure by placing the mat the minimum of the electrostatic potential calculated on a grid around the protein - Membrane suite : suite de scripts pour la création d'une bicouche phospholipidique hydratée et l'équilibration d'une protéine membrnaire à l'intérieur d'une bicouche ; à partir d'idées et de scripts développés par T Woolf et Benoît Roux Amrp : automatic map refinement protocol : script faisant appel à CHARMM pour le calcul d'un profil d'énergie adiabatique le long d'une coordonnée de réaction Programmes en Fortran : -Wham : programme de débiaisage de profils d'énergie libre obtenus avec la commande PERT de CHARMM (à partir de listes de valeurs d'énergie) ou à partir de fichiers de séries temporelles listant l'évolution d'1 ou 2 coordonnées de réaction contraintes par la technique de l' « umbrella sampling » (basé sur des idées de Benoît Roux). Programme en C++ - Mpv3d : programme de visualition de protéines interfacé à CHARMM (voir 3.3) - En développement Bien sûr, ces programmes sont donnés sans aucune garantie et tout retour de bug pour correction sera le bienvenu ! |
| 5 Publications |
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13 - Raspail C, Graindorge M, Moreau Y, Crouzy S, Lefebvre B, Robin AY, Dumas R and Matringe M |
| 6 Thèses |
| Karthik Arumugam (2009) Prédiction de structure de protéines membranaires impliquées dans la liaison des métaux et incidence sur les mécanisme de transport. [Résumé] [Thèse en ligne] David Poger (2005) Interaction du Cu(I) et du Hg(II) avec des métallo-chaperonnes à cuivre(I). Approche in silico et par spectroscopie d’absorption X. [Résumé] [Thèse en ligne] Cheickna Cissé (fin 2011) |