publication . Doctoral thesis . 2018

Identification of new inhibition strategies targeting protein functional motions : application to the nicotinic acetylcholine receptor allosteric transition

Monet, Damien;
Open Access French
  • Published: 06 Dec 2018
  • Publisher: HAL CCSD
  • Country: France
Abstract
The analysis of the functional motion of proteins involved in various diseases and the associated evolution of cavities and grooves offers novel strategies to identify effector molecules. This work describes the gating mechanism of a nicotinic acetylcholine receptor, the (a7)5 subtype, involved in cognitive processes and various neurological disorders. The activation mechanism has been modeled by a series of intermediate conformations linking the resting and the active states of the receptor. Our transition model correctly reproduced the known quaternary motion, the blooming and the twisting. We also developed a robust algorithm to consistently track cavities in...
Subjects
free text keywords: Molecular simulation and drug design, Protein cavity and groove dynamics, Consistent effector site identification, Conception rationnelle d'effecteurs, Récepteur nicotinique de l'acétylcholine, Dynamique des cavités et poches des protéines, Chemin de transition, Identification cohérente de sites effecteurs, Allostérie, [SDV.BIBS]Life Sciences [q-bio]/Quantitative Methods [q-bio.QM]
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Human Brain Project Specific Grant Agreement 2
  • Funder: European Commission (EC)
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3 Récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine 7 3.1 Contexte biologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2 Intérêt thérapeutique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3 Aspects structuraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.4 Aspects dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Approches méthodologiques 12 4.1 Modélisation comparative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.2 Dynamique moléculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.3 Calcul de chemins de transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2 Matériels et Méthodes 25 2.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2 Modélisation comparative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.1 Séquence de la protéine cible . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.2 Sélection et annotation des structures homologues . . . . . . 26 2.2.3 Alignement multiple des séquences . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.4 Configuration de MODELLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3 Approche de modélisation classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4 Approche de modélisation hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.1 Génération des contraintes hybrides . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.2 Sélection des contraintes spécifiques . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.3 Renforcement des contraintes spécifiques . . . . . . . . . . . 30 2.4.4 Intégration des contraintes spécifiques parmi les contraintes hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5 Relaxation des structures avec Rosetta . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6 Évaluation de la qualité des prédictions . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.7 Sélection d'une meilleure structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3 Résultats 33 3.1 Résumé de l'approche de modélisation hybride . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Comparaison avec l'approche de modélisation classique . . . . . . . . 34 3.3 Qualité des structures produites avec l'approche hybride . . . . . . . 36 3.4 Choix du seuil de sélection des contraintes à remplacer . . . . . . . . 37

4 Discussion 40 4.1 Intérêts de la méthode hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2 Choix des structures templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3 Métriques d'évaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.4 Critiques a posteriori des modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2 Matériels et Méthodes 53 2.1 Couplage POE-SoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.1.1 Solvatation et équilibration des structures de départ . . . . . 53 2.1.2 Path Optimization and Exploration . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.1.3 Solvatation des structures d'un chemin POE . . . . . . . . . . 56 2.1.4 String of Swarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2 Modifications ponctuelles des transitions . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.1 Correction locale de la poche orthostérique . . . . . . . . . . 59 2.2.2 Extrapolation des bornes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.2.3 Régularisation des chaînes latérales symétriques . . . . . . . . 60 2.3 Analyse des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.3.1 Profils d'énergie libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.3.2 Distance entre deux chemins de transition . . . . . . . . . . . 61 2.3.3 Propriétés du récepteur nicotinique . . . . . . . . . . . . . . . 62

3 Résultats 63 3.1 Couplage POE/SoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.1.1 Espace conformationnel exploré . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2 Vraisemblance des chemins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2.1 Profils d'énergie libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2.2 Solvatation du canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.2.3 Mouvements quaternaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.3 Convergence des String of Swarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3.1 Critère énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3.2 Critère géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4 Compatibilité POE-SoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4.1 Passage POE vers SoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.2 Passage SoS vers POE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4 Discussion 80 4.1 Couplage POE-SoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2 Convergence du couplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.1 Temps de simulation des trajectoires de Swarms et de propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.3 Choix de la transition représentative de l'activation du récepteur . . . 81

1 Introduction 86 1.1 Nature ambiguë de la définition de sites . . . . . . . . . . . . . . . . 87 1.2 Identification des sites dans les trajectoires . . . . . . . . . . . . . . . 89 1.3 Identification cohérente des cavités : approche et objectifs . . . . . . 89

4 Discussion 119 4.1 Analyse des sites difficiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2 Données de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.3 Opportunités pour la recherche de nouveaux sites effecteurs . . . . . 121 4.4 Remarques sur l'implémentation mkgridXf . . . . . . . . . . . . . . . 122

5 Suivi des cavités de la transition du récepteur nicotinique 124 5.1 Choix de la trajectoire de transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.2 Ajustement des paramètres de détection de cavités . . . . . . . . . . 124 5.3 Prise en compte de la symétrie de séquence . . . . . . . . . . . . . . 125 5.4 Suivi des cavités et détection de sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

2 Ajout de l'interaction cation-π au programme FlexX 135 2.1 Matériels et Méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 2.1.1 Implémentation technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 2.1.2 Jeu de données de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 2.1.3 Docking avec FlexX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 2.2.1 Calibration de la contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 2.2.2 Enrichissement des poses satisfaisantes . . . . . . . . . . . . . 139 2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

3 Docking global sur la transition 141 3.1 Matériels et méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.1.1 Préparation des molécules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.1.2 Docking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.1.3 Rescoring des poses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.1.4 Molécules de références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 3.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.2.1 Poses et sites de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.2.2 Docking restreint aux sites étudiés . . . . . . . . . . . . . . . . 147 3.2.3 Accessibilité des poses de référence . . . . . . . . . . . . . . . 148 3.2.4 Docking global et rescoring des poses . . . . . . . . . . . . . . 150 3.2.5 Paramétrisation du scoring XED . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

[253] JasKiran K Gill-Thind, Persis Dhankher, Jarryl M D'Oyley, Tom D Sheppard et Neil S Millar. „Structurally similar allosteric modulators of α7 nicotinic acetylcholine receptors exhibit five distinct pharmacological effects“. In : Journal of Biological Chemistry (2014), jbc-M114 (cf. p. 132, 159).

[254] Anna Chatzidaki et Neil S Millar. „Allosteric modulation of nicotinic acetylcholine receptors“. In : Biochemical pharmacology 97.4 (2015), p. 408-417 (cf. p. 132).

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Abstract
The analysis of the functional motion of proteins involved in various diseases and the associated evolution of cavities and grooves offers novel strategies to identify effector molecules. This work describes the gating mechanism of a nicotinic acetylcholine receptor, the (a7)5 subtype, involved in cognitive processes and various neurological disorders. The activation mechanism has been modeled by a series of intermediate conformations linking the resting and the active states of the receptor. Our transition model correctly reproduced the known quaternary motion, the blooming and the twisting. We also developed a robust algorithm to consistently track cavities in...
Subjects
free text keywords: Molecular simulation and drug design, Protein cavity and groove dynamics, Consistent effector site identification, Conception rationnelle d'effecteurs, Récepteur nicotinique de l'acétylcholine, Dynamique des cavités et poches des protéines, Chemin de transition, Identification cohérente de sites effecteurs, Allostérie, [SDV.BIBS]Life Sciences [q-bio]/Quantitative Methods [q-bio.QM]
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3 Récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine 7 3.1 Contexte biologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2 Intérêt thérapeutique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3 Aspects structuraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.4 Aspects dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Approches méthodologiques 12 4.1 Modélisation comparative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.2 Dynamique moléculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.3 Calcul de chemins de transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2 Matériels et Méthodes 25 2.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2 Modélisation comparative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.1 Séquence de la protéine cible . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.2 Sélection et annotation des structures homologues . . . . . . 26 2.2.3 Alignement multiple des séquences . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.4 Configuration de MODELLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3 Approche de modélisation classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4 Approche de modélisation hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.1 Génération des contraintes hybrides . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.2 Sélection des contraintes spécifiques . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.3 Renforcement des contraintes spécifiques . . . . . . . . . . . 30 2.4.4 Intégration des contraintes spécifiques parmi les contraintes hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5 Relaxation des structures avec Rosetta . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6 Évaluation de la qualité des prédictions . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.7 Sélection d'une meilleure structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3 Résultats 33 3.1 Résumé de l'approche de modélisation hybride . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Comparaison avec l'approche de modélisation classique . . . . . . . . 34 3.3 Qualité des structures produites avec l'approche hybride . . . . . . . 36 3.4 Choix du seuil de sélection des contraintes à remplacer . . . . . . . . 37

4 Discussion 40 4.1 Intérêts de la méthode hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2 Choix des structures templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3 Métriques d'évaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.4 Critiques a posteriori des modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2 Matériels et Méthodes 53 2.1 Couplage POE-SoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.1.1 Solvatation et équilibration des structures de départ . . . . . 53 2.1.2 Path Optimization and Exploration . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.1.3 Solvatation des structures d'un chemin POE . . . . . . . . . . 56 2.1.4 String of Swarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2 Modifications ponctuelles des transitions . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.1 Correction locale de la poche orthostérique . . . . . . . . . . 59 2.2.2 Extrapolation des bornes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.2.3 Régularisation des chaînes latérales symétriques . . . . . . . . 60 2.3 Analyse des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.3.1 Profils d'énergie libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.3.2 Distance entre deux chemins de transition . . . . . . . . . . . 61 2.3.3 Propriétés du récepteur nicotinique . . . . . . . . . . . . . . . 62

3 Résultats 63 3.1 Couplage POE/SoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.1.1 Espace conformationnel exploré . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2 Vraisemblance des chemins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2.1 Profils d'énergie libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2.2 Solvatation du canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.2.3 Mouvements quaternaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.3 Convergence des String of Swarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3.1 Critère énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3.2 Critère géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4 Compatibilité POE-SoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4.1 Passage POE vers SoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.2 Passage SoS vers POE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4 Discussion 80 4.1 Couplage POE-SoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2 Convergence du couplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.1 Temps de simulation des trajectoires de Swarms et de propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.3 Choix de la transition représentative de l'activation du récepteur . . . 81

1 Introduction 86 1.1 Nature ambiguë de la définition de sites . . . . . . . . . . . . . . . . 87 1.2 Identification des sites dans les trajectoires . . . . . . . . . . . . . . . 89 1.3 Identification cohérente des cavités : approche et objectifs . . . . . . 89

4 Discussion 119 4.1 Analyse des sites difficiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2 Données de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.3 Opportunités pour la recherche de nouveaux sites effecteurs . . . . . 121 4.4 Remarques sur l'implémentation mkgridXf . . . . . . . . . . . . . . . 122

5 Suivi des cavités de la transition du récepteur nicotinique 124 5.1 Choix de la trajectoire de transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.2 Ajustement des paramètres de détection de cavités . . . . . . . . . . 124 5.3 Prise en compte de la symétrie de séquence . . . . . . . . . . . . . . 125 5.4 Suivi des cavités et détection de sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

2 Ajout de l'interaction cation-π au programme FlexX 135 2.1 Matériels et Méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 2.1.1 Implémentation technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 2.1.2 Jeu de données de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 2.1.3 Docking avec FlexX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 2.2.1 Calibration de la contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 2.2.2 Enrichissement des poses satisfaisantes . . . . . . . . . . . . . 139 2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

3 Docking global sur la transition 141 3.1 Matériels et méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.1.1 Préparation des molécules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.1.2 Docking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.1.3 Rescoring des poses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.1.4 Molécules de références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 3.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.2.1 Poses et sites de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.2.2 Docking restreint aux sites étudiés . . . . . . . . . . . . . . . . 147 3.2.3 Accessibilité des poses de référence . . . . . . . . . . . . . . . 148 3.2.4 Docking global et rescoring des poses . . . . . . . . . . . . . . 150 3.2.5 Paramétrisation du scoring XED . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

[253] JasKiran K Gill-Thind, Persis Dhankher, Jarryl M D'Oyley, Tom D Sheppard et Neil S Millar. „Structurally similar allosteric modulators of α7 nicotinic acetylcholine receptors exhibit five distinct pharmacological effects“. In : Journal of Biological Chemistry (2014), jbc-M114 (cf. p. 132, 159).

[254] Anna Chatzidaki et Neil S Millar. „Allosteric modulation of nicotinic acetylcholine receptors“. In : Biochemical pharmacology 97.4 (2015), p. 408-417 (cf. p. 132).

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