Upload
magali-gimenez
View
107
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Analyse structurale et modélisation Analyse structurale et modélisation moléculaire des interactions moléculaire des interactions
protéine-sucreprotéine-sucre
Analyse structurale et modélisation Analyse structurale et modélisation moléculaire des interactions moléculaire des interactions
protéine-sucreprotéine-sucre
Anne ImbertyOct 2001
Les oligosaccharides …. Les oligosaccharides ….
Présentent un nombre presque infini de monomères (substitution…)
Peuvent avoir différentes possibilités de liaison entre les monomères
Contiennent des points de branchements
Sont très difficile à cristalliser
Sont difficiles à caractériser et à synthétiser
Ne sont pas le produit direct d'un gène ( protéines)
Ne se multiplient pas par PCR ( acides nucléiques)
4
4
44
22
6
63
33
4
4
2
63
2
2 2
3
6
4
4
33
22
3
6
3
4 4
22
4
43
6
3
22
Animal Plante
Complexe Complexe (Lea )PaucimannoseOligomannose
Les N-glycannes des glycoprotéinesLes N-glycannes des glycoprotéines
GalGlcNAc Man NeuAcFuc Xyl
Forme 4C1 : -D-mannose, -D-galactose... Forme 1C4 : -L-fucose
Forme 2C5 : -D-NeuAc
Formes possibles des cycles pyranoseFormes possibles des cycles pyranose
Cycle flexible: -L-iduronic acid (1C4 et 2SO)
Banque des monosaccharidesBanque des monosaccharides
http://www.cermav.cnrs.fr/databank/monosaccharides/
La barrière d ’isomères et autres difficultés…. La barrière d ’isomères et autres difficultés….
OOH
HO
OH
OH
OOH
OHOH
OHHO
Oligosaccharides PeptidesNb Isomères > 1012 64 106
(pour 6 hexopyranoses) (20 acides aminés)
_______________________________________Quantité > 100 nmol < 100pmol_______________________________________Synthèse 20 semaines/homme 3 h (robot)
Pour un hexamère :
D'après Laine R.A. (1994) Glycobiology, 4, 759-767
Effet anomèrepréférence configuration axiale et déformations géométriques
Effet exo-anomèrepréférence conformation gauche
Particularités stéréolectroniques des glucidesParticularités stéréolectroniques des glucides
From Woods, R. (1996) Reviews in Computational Chemistry, 9, 129-165
GlcNAc(1-2)Man
La liaison glycosidiqueLa liaison glycosidique
http://www.cermav.cnrs.fr/databank/disacch/
Banque de données des disaccharidesBanque de données des disaccharides
Cristallographie NMR Modélisation
Minimum global
Solution
Phase condensée
Conformation "bioactive"
Analyse structurale des oligosaccharidesAnalyse structurale des oligosaccharides
Analyse de structures cristallographiques Analyse de structures cristallographiques d'oligosaccharidesd'oligosaccharides
Groupe sanguin B (Gal1-3[Fuc1-2]Gal)(Otter et al. Eur. J. Biochem. 1999, 259, 295)
Groupe sanguin O (Fuc1-2Gal)(Watt et al. Carbohydr. Res. 1996, 285, 1)
Carte d'énergie (MM3) de la liaison glycosidique Fuc(1-2)Gal
Difficultés spécifiques à la modélisation des Difficultés spécifiques à la modélisation des oligosaccharidesoligosaccharides
Particularités stéréo-électroniques - effet anomère et exo-anomère pour la liaison glycosidique - effet Hassel-Ottar pour les groupements CH2OH
Grand nombre de groupements hydroxyles - importance des liaisons hydrogènes (intra et intermoléculaire) - effet de l'hydratation sur la conformation
Problèmes de flexibilité - très grand nombre de conformations - corrélation entre mouvement internes et mouvement global
Champs de force pour la modélisation des sucresChamps de force pour la modélisation des sucres
- Modified force-field : CHARMM-Brady...
- General purpose force-field : MM3...
- Updated force-fields :Amber-Glycam94, Tripos-PIM...
New version of the PIM parameters* for
- protein/carbohydrate interaction
- N-glycosidic linkages
- sulfated and phosphorylated sugars, nucleotide-
sugars *Available at http://www.cermav.cnrs.fr/databank/pim/
Pour une comparaison : S. Pérez, A. Imberty et al. (1998) Carbohydr. Res. 314, 141-155.
Exploration de l'espace conformationnelExploration de l'espace conformationnel
-Recherche systématiques de toutes les conformations possibles cartes rigides ou relaxées
-Méthodes heuristiques : Cheminement "intelligent" dans les régions de basses énergies de la Surface d'Energie Potentielle. Programme CICADA basé sur l'approche SCD (Single Coordinate Driving)
-Méthodes statistiques. Algorithme Monte-Carlo-Metropolis utilisé pour explorer l'espace des angles dièdres
-Dynamique Moléculaire permet de prendre en compte les molécules d'eau de manière explicite et traiter les problèmes conformationnels dépendant du temps.
Allogreffe
Xenogreffe
DiscordanteConcordante
La transplantation d'organeLa transplantation d'organe
Xeno (D.K. Cooper & R.L. Lanza) Oxford University Press, 2000
Liste d'attente
Organes transplantés
63 635 (Juin 99 aux USA)
Environ 200 000 personnes dans le monde sont en attente d'une greffe d'organe
Le xénoantigène Le xénoantigène
O
O
O
NAc
HO
HO
OH
OH
HO
O
O
R
O
HO
HO
OH
OH
Gal1-3Gal1-4GlcNAc
O
O
O
NAc
HO
O
OH
OH
HO
O
O
O
OH
HO
OHCH3
R
O
HO
HO
OH
OH
Gal-Lewis X
O
O
O
NAc
HO
HO
OH
OH
O
O
R
O
HO
OH
OH
O
OH
HO
O
CH3
Groupe sanguin B
A
B
C
La liaison glycosidique La liaison glycosidique Gal(1-3)GalGal(1-3)Gal
Carte relaxée MM3
A. Imberty, E. Mikros, K. Koca, R. Molliccone, R. Oriol & S. Pérez (1995) Glycoconj. J. 12, 331-349
Exploration intelligente de l'espaceExploration intelligente de l'espaceVisite des vallées de basse énergie par la méthode SCD
(Single Coordinate Driving Method)
Koca J. (1994) J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 308, 13
A > 90% B < 10%
Familles conformationnellesFamilles conformationnelles
Hydratation (module XLEAP)Minimization (module Sander)Heating (module Sander)Equilibration (module Sander)Production by 2 fs step (3 ns total)(module Sander)
Analyze (module Carnal)
Etude par dynamique moléculaire dans l'eauEtude par dynamique moléculaire dans l'eau
AMBER + GLYCAM)
b
b
a
a
a
a
b
b
Historique de chacune des liaisons glycosidiquesHistorique de chacune des liaisons glycosidiques
A
B
C
Comparaison des trajectoires MDComparaison des trajectoires MDet de la carte d'énergieet de la carte d'énergie
F. Corzana, E. Bettler, C. Hervé du Penhoat, T.V. Tyrtysh, N.V. Bovin & A. Imberty (2001) Glycobiology (sous presse)
Interactions protéine-sucreInteractions protéine-sucre
Structures 3D de lectinesStructures 3D de lectines
3D Lectin Database (http://www.cermav.cnrs.fr/databank/lectine/)
Nouvelle version disponible maintenant
Structures 3D de lectines de légumineusesStructures 3D de lectines de légumineuses
Complexes connus avec- mannose/glucose (ConA, LcL..)- GlcNAc (UEA-II)- galactose/GalNAc (EcorL, DBL…)- oligosaccharides complexes (GSIV)
Pas de structure avec complexées avec le fucose ou l'acide sialique ?
NeuAc
Gal
Glc
Siallylactose
Lectines utilisées pour la détermination des types sanguins Lectines utilisées pour la détermination des types sanguins
Ulex europaeus (UEA-1)
Type O
Gal
Fuc
GlcNAc
Maackia amurensis (MAL)
Dolichos biflorus (DBL)
Griffonia simplicifolia (GSI-B4)
Gal
FucGalNAc
Type AGal
FucGal
Type B
-L-Fuc complexe -D-GalNAc -D-Gal
Europe Japon Inde Afrique
Structure cristallographique du complexe MAL/SLacStructure cristallographique du complexe MAL/SLac
Résolution 2.75 Ågroupe d'espace P 21 21 2
A. Imberty, C. Gautier, J. Lescar, S. Pérez, L. Wyns & R. Loris (2000) J. Biol. Chem. 275, 17541-17548.
InteractionInteraction entre le trisaccharide et la protéineentre le trisaccharide et la protéine
Asp87
Ser104
Tyr221
Tyr45
Glu224
Tyr131
Tyr136
Asp137
Lys107
Ser86
Tyr45
Tyr221
Tyr131
Tyr137
Lys107
Ser104
InteractionInteraction entre le trisaccharide et la protéineentre le trisaccharide et la protéine
Comparaison du mode de liaison de différents Comparaison du mode de liaison de différents monosaccharides par les lectines de légumineusemonosaccharides par les lectines de légumineuse
Asn133
Asp89
Gln219
Ala218
Phe131
Gly107
Gal in EcorL
Asn14
Asp208
Leu99
Arg228
Tyr12
Man in ConA
Tyr136
Tyr131
Tyr45Asp137
Asp87
Gal in MAL
Man(1-3)Man GlcNAc(1-2)Man NeuAc(2-3)Gal
Plant lectins
Animal lectins
Microbial lectins
Conformations observées dans les complexes cristallographiques Conformations observées dans les complexes cristallographiques entre lectines de légumineuse et oligosaccharides entre lectines de légumineuse et oligosaccharides
A. Imberty & S. Pérez (2000) Chem. Rev. 100, 4567-4588.
Conclusions sur les interactionsConclusions sur les interactions protéine-sucresprotéine-sucres
Grand nombre de liaisons hydrogène
La conformation "bioactive" n'est pas toujours le minimum global de l'oligosaccharide en solution
Importance des acides aminés aromatiques dans la specificité
C.A. Bush, M. Martin-Pastor & A. Imberty (1999) Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 28, 269-293.
- Construire la protéine
- Amarrer un monosaccharide dans le site de reconnaissance
- Propager l'oligosaccharide à la surface de la protéine
- Valider le modèle
Modélisation moléculaire des interactions lectine-sucreModélisation moléculaire des interactions lectine-sucre
Docking du monosaccharide dans le siteDocking du monosaccharide dans le site
Uitlisation du programme GRID avec les sondes OH et CHVisualisation de la surface de Connolly de la protéines (MOLCAD)
Rouge : sonde OH Vert : sonde CH
Test sur complexe connu
GRID : Goodford P.J. (1985) J. Med. Chem. 28, 849
Conclusions : bonne prédiction des géométriesConclusions : bonne prédiction des géométriesExemple : comparaison entre le modèle et la structure
cristallographique pour le complexe DBL/GalNAc
A. Imberty, F. Casset, C.V. Gegg, M.E. Etzler & S. Pérez (1994) Glycoconj. J. 11, 400-413
Les problèmes à résoudre dans le futur :Les problèmes à résoudre dans le futur :
1. Modéliser les interaction entre protéines et glycosaminoglycanes
...GlcNAc(6S)1-4GlcA(1-4) GlcNS(3S,6S) (1-4IdoA(2S) (1-4) GlcNS(6S)...
Exemple : Modèle d'interaction entre la Exemple : Modèle d'interaction entre la chimiokine SDF-1chimiokine SDF-1 et l'héparine et l'héparine
Problèmes : nombre de contact, flexibilité, spécificité
R. Sadir, F. Baleux, A. Grosdidier, A. Imberty & H. Lortat-Jacob (2001) J. Biol. Chem. 276, 8288-9296
2. Prédire les constantes d'affinité entre protéine et sucre
S°flex= -Rpiln(pi)
Comment évaluer le terme entropique ?
K = e -G°/RT
G° = H° -T S°
Contribution : - perte de degrés de liberté rotationnelle et translationnelle- solvatation- perte de la liberté conformationnelle
Problème de compensation enthalpie-entropie
Mono et disaccharides
Pentasaccharides
CollaborationsCollaborations
The Xenotransplantation European Network
CERMAV GrenobleCatherine Gautier
Julien Lescar Christelle BretonValérie Chazalet
Emmanuel BettlerFrancisco Corzana
Julie Verleyen
Serge Pérez
St-Genesius-RodeRemy LorisLode Wyns
Association pour la Recherche contre le Cancer (ARC)
ESRF GrenobleEd Mitchell
Veronica Cox