Prsentation PowerPoint

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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
Les N-glycannes des glycoprotéines
Complexe
Complexe (Lea )
Paucimannose
Oligomannose
a
a
3
3
a
a
a
b
b
b
b
2
2
2
4
3
4
3
4
4
a
a
a
a
b
b
a
b
b
3
2
2
2
2
2
6
a
a
a
a
a
a
a
a
3
3
2
2
2
2
6
3
6
3
6
6
b
b
b
b
b
b
4
4
4
4
3
3
a
6
a
a
b
b
b
b
4
4
4
4
Animal
Plante
Gal
GlcNAc
Man
NeuAc
Fuc
Xyl
4
Formes possibles des cycles pyranose
Forme 4C1 a-D-mannose, a-D-galactose...
Forme 1C4 a-L-fucose
Cycle flexible a-L-iduronic acid (1C4 et 2SO)
Forme 2C5 a-D-NeuAc
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Banque des monosaccharides
http//www.cermav.cnrs.fr/databank/monosaccharides
/
6
La barrière d isomères et autres
difficultés.
Pour un hexamère
Oligosaccharides Peptides Nb Isomères
gt 1012 64 106
(pour 6 hexopyranoses) (20 acides
aminés) _______________________________________ Qu
antité gt 100 nmol lt
100pmol _______________________________________ Sy
nthèse 20 semaines/homme 3 h (robot)
D'après Laine R.A. (1994) Glycobiology, 4, 759-767
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Particularités stéréolectroniques des glucides
Effet anomère préférence configuration axiale et
déformations géométriques
Effet exo-anomère préférence conformation gauche
From Woods, R. (1996) Reviews in Computational
Chemistry, 9, 129-165
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La liaison glycosidique
bGlcNAc(1-2)Man
9
Banque de données des disaccharides
http//www.cermav.cnrs.fr/databank/disacch/
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Analyse structurale des oligosaccharides
Cristallographie NMR
Modélisation Minimum
global Solution Phase condensée
Conformation "bioactive"
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Analyse de structures cristallographiques
d'oligosaccharides
Carte d'énergie (MM3) de la liaison glycosidique
aFuc(1-2)Gal
Groupe sanguin B (aGal1-3aFuc1-2Gal) (Otter et
al. Eur. J. Biochem. 1999, 259, 295)
Groupe sanguin O (aFuc1-2Gal) (Watt et al.
Carbohydr. Res. 1996, 285, 1)
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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 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
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Champs de force pour la modélisation des sucres
- General purpose force-field MM3...
- Modified force-field CHARMM-Brady...
- 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/p
im/
Pour une comparaison S. Pérez, A. Imberty et
al. (1998) Carbohydr. Res. 314, 141-155.
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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.

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La transplantation d'organe
Environ 200 000 personnes dans le monde sont en
attente d'une greffe d'organe
Allogreffe
63 635 (Juin 99 aux USA)
Liste d'attente
Xenogreffe
Organes transplantés
Xeno (D.K. Cooper R.L. Lanza) Oxford
University Press, 2000
Discordante
Concordante
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Le xénoantigène
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La liaison glycosidique aGal(1-3)Gal
A
Carte relaxée MM3
F
Y
B
C
A. Imberty, E. Mikros, K. Koca, R. Molliccone, R.
Oriol S. Pérez (1995) Glycoconj. J. 12, 331-349
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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
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Familles conformationnelles
A gt 90
B lt 10
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Etude par dynamique moléculaire dans l'eau
AMBER GLYCAM)
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)
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Historique de chacune des liaisons glycosidiques
?a
?a
?b
?b
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Comparaison des trajectoires MD et de la carte
d'énergie
A
B
C
F. Corzana, E. Bettler, C. Hervé du Penhoat, T.V.
Tyrtysh, N.V. Bovin A. Imberty (2001)
Glycobiology (sous presse)
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Interactions protéine-sucre
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Structures 3D de lectines
Nouvelle version disponible maintenant
3D Lectin Database (http//www.cermav.cnrs.fr/dat
abank/lectine/)
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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 ?
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Lectines utilisées pour la détermination des
types sanguins
Ulex europaeus (UEA-1)
Maackia amurensis (MAL)
Dolichos biflorus (DBL)
Griffonia simplicifolia (GSI-B4)
Europe Japon
Inde Afrique
a-L-Fuc
complexe
a-D-GalNAc
a-D-Gal
Leukoagglutinin de Maackia amurensis (MAL)
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Structure cristallographique du complexe MAL/SLac
Résolution 2.75 Å groupe 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.
28
Interaction entre le trisaccharide et la protéine
Tyr221
Tyr136
Ser104
Tyr45
Glu224
Tyr131
Asp137
Ser86
Lys107
Asp87
29
Interaction entre le trisaccharide et la protéine
Tyr137
Lys107
Tyr131
Tyr221
Ser104
Tyr45
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Comparaison du mode de liaison de différents
monosaccharides par les lectines de légumineuse
31
Conformations observées dans les complexes
cristallographiques entre lectines de légumineuse
et oligosaccharides
aMan(1-3)Man
bGlcNAc(1-2)Man
aNeuAc(2-3)Gal
A. Imberty S. Pérez (2000) Chem. Rev. 100,
4567-4588.
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Conclusions sur les interactions protéine-sucres
Grand nombre de liaisons hydrogène
Importance des acides aminés aromatiques dans la
specificité
La conformation "bioactive" n'est pas toujours le
minimum global de l'oligosaccharide en solution
C.A. Bush, M. Martin-Pastor A. Imberty (1999)
Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 28, 269-293.
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Modélisation moléculaire des interactions
lectine-sucre
- Construire la protéine
- Amarrer un monosaccharide dans le site de
reconnaissance
- Propager l'oligosaccharide à la surface de la
protéine
- Valider le modèle

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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
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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, 400-413
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Les problèmes à résoudre dans le futur 1.
Modéliser les interaction entre protéines et
glycosaminoglycanes

...aGlcNAc(6S)1-4bGlcA(1-4) aGlcNS(3S,6S) (1-4a)
IdoA(2S) (1-4) aGlcNS(6S)...
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Exemple Modèle d'interaction entre la
chimiokine SDF-1a 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
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2. Prédire les constantes d'affinité entre
protéine et sucre
K e -DG/RT
Pentasaccharides
DG DH -T DS
Mono et disaccharides
Problème de compensation enthalpie-entropie
Comment évaluer le terme entropique ?
Contribution - perte de degrés de liberté
rotationnelle et translationnelle - solvatation -
perte de la liberté conformationnelle
Sflex -RSpiln(pi)
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Collaborations
CERMAV Grenoble Catherine Gautier Julien Lescar
Christelle Breton Valérie Chazalet Emmanuel
Bettler Francisco Corzana Julie Verleyen Serge
Pérez
ESRF Grenoble Ed Mitchell Veronica Cox
St-Genesius-Rode Remy Loris Lode Wyns
The Xenotransplantation European Network
Association pour la Recherche contre le Cancer
(ARC)