Bioinformatique et Biologie Structurale

1 – Principes et techniques

A/ L’information structurale

B/ Les différentes techniques de détermination de structure

C/ Les nouveaux challenges de la biologie structurale

2 – Application à l’étude d’enzymes d’intérêt médical

A/ Un bref aperçu de ce que l’on appelle « Drug design »

B/ Recherche d’inhibiteurs d’aminopeptidases de Streptocoques

C/ Relations structure-fonction d’hélicases impliquées dans les cancers

Les nouveaux challenges de la Biologie Structurale La structure 3D d'une macromolécule biologique

Elément d'étude "post génomique" dont se servent tous les biologistes

On peut déjà faire beaucoup de choses à partir des fichiers de coordonnées PDB

Le problème de la résolution de la structure des protéines membranaires

Les plus intéressantes pour l’industrie pharmaceutique

Nouveaux détergents pour cristallisation

Génomique structurale, drug design et thérapie génique

Repose sur la détermination systèmatique de la S3D de toutes les protéines exprimées dans un génôme (On commence

les études sur des organismes modèles tels la levure, 6200 gènes exprimés, certaines bactéries et virus).

Contribuer à combattre efficacement les fléaux d'aujourd'hui et demain (virus, cancer, épidémies, …)

Les évolutions techniques permettent les espoirs les plus fous…

Bioinformatique plus performante

Prédiction de structure (ab initio) à partir de la séquence

Détermination automatique des structures

Nouveaux ordinateurs encore plus puissants PC

Synchrotrons de 3ème génération

Problème de la reconnaissance de forme dans la DE logiciels à inventer

L'avenir est à l'association de toutes les méthodes de détermination de structure

Voir ce qu'une seule des méthodes ne permet pas de voir

RMN, radiocristallographie, diffusion aux petits angles, spectrométrie de masse, microscopie électronique, modélisation

ab initio, prédiction de structures 2D,…

pour obtenir le plus grand nombre d'informations structurales possible : repliement tridimensionnel, dynamique,

interactions, naissance et transformations induites de la molécule, …

1 - Génomique structurale (protéomique structurale)

p

PSI Pilot Research Centers

UK

UK, Japan,Israel

PROTEIN PRODUCTION4th Generation SystemIn use since Dec, 2000

PROTEIN PURIFICATION3rd Generation System

In use since March, 2002

CRYSTALLIZATION2nd Generation SystemIn use since Feb., 2001

NANOVOLUMECRYSTALLIZATIONEstablished, May 1998

IMAGING1st Generation Hardware6th Generation Software

Technology Status – Gene to Structure

HT Data Collection1st Generation System

3rd Generation Software

Ian A. Wilson, Scripps Research Institute, P50 GM062411

504 targets in PDB (28 new folds)

Structural Genomics - Public• Canada: Structural Proteomics Initiative (Ontario)• France: Structural Genomics: Pathogens (Institut Pasteur);

Eukaryotes (U. Marseille); Yeast (U. PSUD)• Germany: Protein Structure Factory -- human cancer proteins

(Max-Delbruck-Centrum fur Molekulare Medizin, Berlin)• Italy: Structural Genomics of Metaloproteins (U. Florence)• Japan: Structural Genomics Initiative (RIKEN) -- mouse,

Arabidopsis (Protein Folds Project, Structurome Project)• UK: Functional Genomics Program (Wellcome Trust)• USA: Protein Structure Initiative (NIGMS/NIH); Structural

Proteomics (DOE)• Microbacterium tuberculosis Structural Genomics Consortium

[429 membres /75 institutions /15 pays]

• etc…De 20 à 1500 structures résolues par centre

75000 hits dans la PDB

Structural Genomics International - Industrial

• Astex (Cambridge, UK)

• Geneformatics (San Diego, CA)

• Integrative Proteomics (Toronto, Canada)

• Structural Bioinformatics (Copenhagen, Denmark)

• Structure-Function Genomics (Piscataway, NJ)

• Structural GenomiX, Inc. (San Diego, CA)

• Structural Genomics Consortium (Wellcome Trust,

pharmaceutical industry)

• Syrrx (San Diego, CA)

Cependant ...

… les nouvelles structures ne seront pas

toutes résolues automatiquement

(pour l’instant, le « High throughput » ne

concerne qu’1/3 des protéines clonées)

2 – Combinaison de la microscopie électronique et de la cristallographie des protéines

Electron microscope / single-particle electron cryomicroscopy, or cryo-EM.

Resolution 10 A

http://people.cryst.bbk.ac.uk/~ubcg16z/chaperone.html

The chaperonin GroEL and its cofactor GroES is the only chaperone system in E. coli that is essential under all growth conditions.

3 - Précision des données

ERREURS… VOUS AVEZ DIT ERREURS ? Aucun modèle moléculaire, quelque soit la méthode qui a permis de l'obtenir, n'est exempt d'erreurs (plus ou

moins importantes).

modèle suffisamment précis pour faire aboutir les expériences qu'il a inspiré (Ex : design d'un médicament dans le site actif d'une enzyme).

Challenge :

obtenir suffisamment de données observées pour déterminer avec précision les paramètres inconnus (coordonnées spatiales X,Y,Z).

moyenne fiable avec l'écart type le plus faible possible.

Structures partiellement ou totalement fausses Cristallographie :

- signal de densité électronique trop faible (mauvaise diffraction ou traitement des données, boucles en mouvement, etc…)

- erreurs de groupes d'espace - interprétation farfelue des données.

Des critères permettent de mesurer la qualité des modèles

RMN :

- pas assez de données de distances et de constantes de couplage - étude de protéine de taille supérieure à 200 résidus impossible

Modélisation moléculaire :

- modélisation trop ambitieuse - Une structure résultant de modélisation moléculaire pure n'est jamais exact (pour l'instant) / donne des pistes

pour gagner du temps - familles de protéines et cas où l'homologie de séquence est forte, cette technique. - bidouille aisée sur des banques de plus en plus fournies

Microscopie électronique, diffusion aux petits angles, …

- Techniques limitées par ce qu'elles permettent de voir…