la biophysique théorique les protéines, pas toujours bonnes pour la santé!

LA BIOPHYSIQUE THÉORIQUELES PROTÉINES, PAS TOUJOURS BONNES POUR LA SANTÉ!

Croc Cyc Sup - Mardi 29 mars 2011

Jessica Nasica

Qu’est ce qu’une protéine?

Traduction de l’ADN en protéine

ADN Ribosome

Traduction en proteine

Protéine naissante

ARN


Structure primaire

Chaîne polypeptidiquecomposée d’acides aminés

acide aminé 1 acide aminé 2


Structure secondaire

Hélice α Feuillet β


Structure tertiaire

Assemblage d’hélices α Assemblage de feuillets β

Assemblage des 2

Qu’est ce que la biophysique?

Science interdisciplinaire qui:

Étudie des systèmes biologiquesUtilise les principes et méthodes de la

physique, chimie et biochimieUtilise des outils mathématiques et des

méthodes de modélisation par ordinateur

Qu’est ce que la biophysique?

Science interdisciplinaire:

Biochimie Biophysique Médecine et physiologie

Pharmacologie

Nanotechnologie

La biophysique: à quoi ça sert?

Les sous domaines de la biophysique tentent de:

Déterminer la/les structure(s) de molécules biologiques spécifiques et de larges assemblages de ces molécules.

Repliement de protéines




Déterminer la relation entre la structure et la fonction d’une molécule





Caractériser les interactions intermoléculaires





Caractériser les interactions intermoléculaires Tenter de comprendre les mouvements mécaniques

impliqués dans les réactions moléculaires

Un problème fondamental en biophysique théorique

Le repliement de protéines

Le paradoxe de Levinthal

Un œil neuf sur le repliement de protéines

Minimum globald’énergie = fonction normale de la protéine

Une recherche stochastique de toutes les configurations possibles accessibles à une protéine.

Espace des phasesN’importe quel autreminimum local danslequel la protéine sera= fonction anormale

MAUVAIS REPLIEMENT

REPLIEMENT CORRECT

APPROCHE:

Contexte médical

Sous certaines conditions physiologiques

Des protéines fonctionnelles changent et se replient incorrectement

Elles adoptent alors une forme qui encourage la formation de fibres amyloïdes

Ces fibres amyloïdes s’accumulent et se déposent dans le cerveau et sont associées avec les maladies neurodégénératives (Alzheimer, Parkinson, etc..)

Les fibres amyloïdesFibres amyloïdes: agrégats fibrillaires insolubles très organisés et très résistants

Image MFA de fibres amyloïdes de β2-microglobuline

Structure cross-β avec fermetureéclair = interdigitation deschaînes latéralespour stabiliser la structure

Feuillets β parallèles

Coeur hydrophobe= molécules d’eau exclues de l’intérieur

La formation de fibres amyloïdes

La formation de fibres amyloïdes est souvent un processus de nucléation

présence d’un noyau préformé nécessaire Croissance rapide: plus de protéines s’attachent plus facilement une fois que la barrière entropique est surmontée

Barrière entropique surmontéeEntropie S = + d’ordre dans la structure = formation de feuillets β Énergie E = formation de liaisons hydrogène

Énergie libre F

Polymorphisme des fibres amyloïdes

Polymorphisme amyloïde: la capacité pour une même protéine de produire des agrégats avec des morphologies différentes

Toxicité des fibres amyloïdes

Neurones en bonne santé

Neuronesdégradés après formation de fibresamyloïdes

Toxicité des fibres amyloïdes

LES FIBRESLES OLIGOMÈRES

QUESTIONS: Qu’est ce qui est responsable de la toxicité? Par quel mécanisme?

Des espèces intermédiaires qui se forment pendant la formation de fibres

Sont plus toxiques que les fibres Des expériences suggèrent que les oligomères de plusieurs

protéines ont la même structure = partagent le même mécanisme de toxicité?

Oligomères cibles de grand intérêt pour mieux comprendre la toxicité amyloïde

Théories sur les états des oligomères

Oligomères en protofibres

Oligomères en pores peuvent former des structures annulaires pour passer au travers des membranes des cellules: baril-β

Structure annulaire pour les oligomères amyloïdes observés expérimentalement (gauche) & numériquement (droite)

Problématique de recherche

Étudier ces oligomères et leurs premières étapes d’agrégation (dynamique)

Comprendre leur mécanisme de toxicité Déterminer leurs caractéristiques afin de

développer des médicaments (structure)

L’approche des petits peptides amyloïdes

Certains modèles suggèrent que seule une petite portion d’une protéine amyloïde serait responsable de la formation de fibres

séquence amyloidogénique

GNNQQNY

Protéineamyloïde

Fibreamyloïde

Séquenceamyloïdogénique

YNQQNNG

GNNQQNY

YNQQNNG

GNNQQNY

AVANTAGES:1. Plus rapide pour les simulations2. Des expériences ont déjà été menées sur de petites séquences qui

forment des fibres pour comparer avec nos résultats3. Cette courte séquence a une très forte tendance a former des fibres

amyloïdes

Gly Asn Asn Gln Gln Asn Tyr G N N Q Q N Y

Protéine Prion Sup35de la levure bourgeonnante

Problématique de recherche

Comprendre le processus d’agrégation des petits peptides en oligomères Cinétique d’agrégation Structures finales (morphologies accessibles)

Étudier différentes tailles de systèmes Trimère GNNQQNY 12-mère GNNQQNY 20-mère GNNQQNY 50-mère GNNQQNY 100-mère GNNQQNY ?

Étudier d’autres courtes séquences amyloidogéniques

Méthodes Simulations numériques

Dynamique moléculaire simuler les mouvements atomiques en fonction du temps Chaque atome = masse ponctuelle dont le mouvement est déterminé par

la exercée par les autres atomes

ALGORITHME: À un temps t, chaque atome i de masse mi, de coordonnées ri(t) subira une accélération ai. La force agissant sur un atome est:

où et E est l’énergie potentielle totale d’intéraction

On peut alors intégrer et obtenir une trajectoire de chaque atome en fonction de t.

Pour cela on utilise l’algorithme de « velocity-Verlet » à chaque pas de simulation:

τest le pas: 1.5 fs

€

r F ∑

€

r F i = m i

r a i

€

r F i = −

dr E (ri ,...,rn )

dri (t )

€

r F i = m i

d 2r r i (t )

dt 2

€

ri (t + τ ) = ri (t ) + vi (t )τ +12

τ 2 Fi (t )m i

vi (t + τ ) = vi (t ) +Fi (t ) + Fi (t + τ )

2m i

τ

Méthodes Utilisation d’un potentiel simplifié: OPEP

Méthodes Échange de répliques: “Replica exchange MD”

1. lancement de n simulations de dynamique moléculaire en parallèle, à n températures différentes

2. à intervalles réguliers, on tente un échange de configurations entre 2 températures adjacentes en utilisant le critère de Métropolis

Avant l’échange, la trajectoire i est à température Ti et a une énergie Ei et la trajectoire j a une énergie Ej à température Tj

AVANTAGES: L’échange de répliques accélère l’échantillonnage (au dépend d’une

perte d’information dynamique).

L’échange de répliques donne toujours l’information thermodynamique

€

p(i, j) = min 1.0,exp1

kBTi

−1

kBT j

⎡

⎣ ⎢ ⎢

⎤

⎦ ⎥ ⎥E i − E j( )

⎧ ⎨ ⎪

⎩ ⎪

⎫ ⎬ ⎪

⎭ ⎪

Conditions initiales des simulations avec OPEP

Systèmes trimère, 12-mère et 20-mère

c)

Trimère 50ns16 répliques

12-mère 125ns16 répliques

20-mère 400ns20,22 répliquesConcentration: 4mM

Conditions frontières

X 2

Désordonnées

Méthode à multi-échelles

Chaque chaîne latérale est représentée parune bille unique pour simplifier et accélérerles calculs d’interactions.

Chaque bille est reconstruite avec tous les atomeset des simulations de stabilité sont lancées sur les structures obtenues avec OPEP.

Développement et implémentation d’un potentiel novateur simplifié de dynamique moléculaire (OPEP) et de nombreux outils d’analyse en collaboration avec l’IBPC (Paris)

Reconstruction tout-atome, ajout de molécules d’eau explicites et simulations de structures stables issues de simulations avec le potentiel OPEP à l’ICRM (Milan)

Structures obtenues avec OPEP Simulations tout-atome sur lesstructures obtenues avec OPEP

Résultats Trimère GNNQQNY

Forte tendance à former des feuillets-β Orientation antiparallèle des brins Formation d’un dimère antiparallèle nécessaire pour qu’il y

ait agrégation

Résultats 12-mère GNNQQNY

Forte tendance à former des feuillets-β Structure à 2 feuillets orthogonaux domine et est stable Orientation mixte des brins Formation d’un ou deux trimères/tétramères nécessaires

pour qu’il y ait agrégation Energétiquement plus favorable que le trimère Apparition de polymorphisme

Résultats 20-mère GNNQQNY - Morphologie

Forte tendance à former des feuillets-β Structures à 2 ou 3 feuillets-βdominent

2 feuillets structure ressemblant la fibre 3 feuillets structure en hélices avec parfois une symétrie bien définie

Dominance d’orientation parallèle des brins Formation d’un ou plusieurs dimères/trimères/tétramères

nécessaires pour qu’il y ait agrégation Énergétiquement plus favorable que le trimère et le 12-mère Polymorphisme apparent Présence d’un centre hydrophobe au cœur des structures

20-mères exclusion des molécules d’eau Interdigitation partielle des chaînes latérales Asn et Gln

Résultats 20-mère GNNQQNY - Cinétique

Une fois un noyau formé, les peptides sont entraînés dans le processus d’agrégation et l’énergie et l’entropie du système diminue très rapidement

Chute d’énergie accompagnée par une organisation structurée des peptides !

Cinétique caractéristique des fibres amyloïdes

Formation d’un noyau +

GNNQQNY 50-mère résultats préliminaires

Formation d’un long feuillet torsadé stabilisé par de plus petits feuillets

GNNQQNY 50-mère résultats préliminaires

Similarités dans les morphologies entre le 20-mère et le 50-mère

20-mère 50-mère

Structures avec feuillets en hélices … pore?

Travaux à venir Cinétique du 20-mère Amener la simulation du 50-mère GNNQQNY à maturité Simulation de 100-mère GNNQQNY Optimiser le code pour l’accélérer Même étude sur d’autres courtes séquences

amyloidogéniques: LYQLEN (Insuline humaine) VEALYL (Insuline humaine) VQIVYK (Protéine tau humaine – Alzheimer) GGVVIA (Protéine Abeta – Alzheimer) MVGGVV (Protéine Abeta – Alzheimer) SNQNNF (Protéine Prion humaine) SSTSAA (Protéine Ribonucléase bovine)

La biophysique théorique: pour moi?

Ce qui est nécessaire pour entrer en biophysique théorique: Avoir un intérêt pour la programmation et le

développement d’algorithmes Aimer la thermodynamique et la mécanique

statistique Avoir un intérêt pour la biochimie et la médecine Aimer le travail en équipe

Ce qui n’est PAS nécessaire pour entrer en biophysique théorique: Avoir une connaissance préalable en biologie

moléculaire ou biochimie

La biophysique expérimentale: pour moi?

Remerciements Collaborateurs

MONTREAL- Normand Mousseau (Superviseur)

PARIS- Philippe Derreumaux

MILAN- Giorgio Colombo- Massimiliano Meli (Ph.D.)

Financement

- GEPROM- CRSNG- FESP

Resources

- Réseau québécois de calcul de haute performance

Remerciements aussi à: Rozita Laghaei (post-doc)

Lilianne Dupuis (Ph.D.) Jean-François St-Pierre(Ph.D.) Sébastien Côté (Ph.D)

Take home message

Buvez du vin rougepour prévenir l’Alzheimer !

la biophysique théorique les protéines, pas toujours bonnes pour la santé!

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