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Analyse structurale et modélisation moléculaire des interactions protéine-sucre Anne Imberty Oct 2001.

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1 Analyse structurale et modélisation moléculaire des interactions protéine-sucre Anne Imberty Oct 2001

2 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)

3 Animal Plante ComplexeComplexe (Le a )PaucimannoseOligomannose Les N-glycannes des glycoprotéines GalGlcNAcManNeuAcFucXyl

4 Forme 4 C 1 : -D-mannose, -D-galactose... Forme 1 C 4 : -L- fucose Forme 2 C 5 : -D- NeuAc Formes possibles des cycles pyranose Cycle flexible: -L-iduronic acid ( 1 C 4 et 2 S O )

5 Banque des monosaccharides

6 La barrière d isomères et autres difficultés…. O OH HO OH OH O OH OH OH OH HO Oligosaccharides Peptides Nb Isomères > (pour 6 hexopyranoses)(20 acides aminés) _______________________________________ Quantité > 100 nmol< 100pmol _______________________________________ Synthèse20 semaines/homme3 h (robot) Pour un hexamère : D'après Laine R.A. (1994) Glycobiology, 4,

7 Effet anomère préférence configuration axiale et déformations géométriques Effet exo-anomère préférence conformation gauche Particularités stéréolectroniques des glucides From Woods, R. (1996) Reviews in Computational Chemistry, 9,

8 GlcNAc(1-2)Man La liaison glycosidique

9 Banque de données des disaccharides

10 Cristallographie NMR Modélisation Minimum global Solution Phase condensée Conformation "bioactive" Analyse structurale des oligosaccharides

11 Analyse de structures cristallographiques d'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

12 Difficultés spécifiques à la modélisation des oligosaccharides Particularités stéréo-électroniques - effet anomère et exo-anomère pour la liaison glycosidique - effet Hassel-Ottar pour les groupements CH 2 OH 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

13 Champs de force pour la modélisation des sucres - Modified force-field : CHARMM-Brady... - General purpose force-field : MM 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 Pour une comparaison : S. Pérez, A. Imberty et al. (1998) Carbohydr. Res. 314,

14 Exploration 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.

15 Allogreffe Xenogreffe Discordante Concordante La transplantation d'organe Xeno (D.K. Cooper & R.L. Lanza) Oxford University Press, 2000 Liste d'attente Organes transplantés (Juin 99 aux USA) Environ personnes dans le monde sont en attente d'une greffe d'organe

16 Le xénoantigène Gal1-3 Gal1-4GlcNAc Gal-Lewis X Groupe sanguin B

17 A B C La liaison glycosidique Gal(1-3)Gal Carte relaxée MM3 A. Imberty, E. Mikros, K. Koca, R. Molliccone, R. Oriol & S. Pérez (1995) Glycoconj. J. 12,

18 Exploration intelligente de l'espace Visite des vallées de basse énergie par la méthode SCD (Single Coordinate Driving Method ) Koca J. (1994) J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 308, 13

19 A > 90%B < 10% Familles conformationnelles

20 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'eau AMBER + GLYCAM)

21 b b a a a a b b Historique de chacune des liaisons glycosidiques

22 A B C Comparaison des trajectoires MD et 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)

23 Interactions protéine-sucre

24 Structures 3D de lectines 3D Lectin Database (http://www.cermav.cnrs.fr/databank/lectine/) Nouvelle version disponible maintenant

25 Structures 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 ?

26 NeuAc Gal Glc Siallylactose Lectines utilisées pour la détermination des types sanguins Ulex europaeus (UEA-1) Type O Gal Fuc GlcNAc Leukoagglutinin de Maackia amurensis (MAL) Maackia amurensis (MAL) Dolichos biflorus (DBL) Griffonia simplicifolia (GSI-B 4 ) Gal Fuc GalNAc Type A Gal FucGal Type B -L-Fuc complexe -D-GalNAc -D-Gal Europe Japon Inde Afrique

27 Structure cristallographique du complexe MAL/SLac Résolution 2.75 Å groupe d'espace P A. Imberty, C. Gautier, J. Lescar, S. Pérez, L. Wyns & R. Loris (2000) J. Biol. Chem. 275,

28 Interaction entre le trisaccharide et la protéine Asp87 Ser104 Tyr221 Tyr45 Glu224 Tyr131 Tyr136 Asp137 Lys10 7 Ser86

29 Tyr45 Tyr221 Tyr131 Tyr137 Lys107 Ser104 Interaction entre le trisaccharide et la protéine

30 Comparaison du mode de liaison de différents monosaccharides par les lectines de légumineuse Asn133 Asp89 Gln219 Ala218 Phe131 Gly107 Gal in EcorL Asn14 Asp208 Leu99 Arg228 Tyr12 Man in ConA Tyr136 Tyr131 Tyr45 Asp137 Asp87 Gal in MAL

31 Man(1-3)Man GlcNAc(1-2)Man NeuAc(2-3)Gal Plant lectins Animal lectins Microbial lectins Conformations observées dans les complexes cristallographiques entre lectines de légumineuse et oligosaccharides A. Imberty & S. Pérez (2000) Chem. Rev. 100,

32 Conclusions sur les interactions protéine-sucres protéine-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,

33 - 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-sucre

34 Docking du monosaccharide dans le site Uitlisation du programme GRID avec les sondes OH et CH Visualisation 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

35 Conclusions : bonne prédiction des géométries Exemple : 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,

36 Les problèmes à résoudre dans le futur : 1. Modéliser les interaction entre protéines et glycosaminoglycanes... GlcNAc(6S)1-4 GlcA(1-4) GlcNS(3S,6S) (1-4 IdoA(2S) (1-4) GlcNS(6S)...

37 Exemple : Modèle d'interaction entre la chimiokine SDF-1 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,

38 2. Prédire les constantes d'affinité entre protéine et sucre S° flex = -R p i ln(p i ) 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

39 Collaborations The Xenotransplantation European Network CERMAV Grenoble Catherine Gautier Julien Lescar Christelle Breton Valérie Chazalet Emmanuel Bettler Francisco Corzana Julie Verleyen Serge Pérez St-Genesius-Rode Remy Loris Lode Wyns Association pour la Recherche contre le Cancer (ARC) ESRF Grenoble Ed Mitchell Veronica Cox


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