Analyse structurale et modélisation moléculaire des interactions protéine-sucre Anne Imberty Oct...

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

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22

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6

3

4 4

22

4

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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