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LIENS


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Université Henri Poincaré – Nancy I
U.F.R. Sciences et techniques de la matière et des procédés
École doctorale lorraine de chimie et physique moléculaires




Thèse
présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université Henri Poincaré
en Chimie Informatique et Théorique
par Alexandre Beautrait


DÉVELOPPEMENT ET VALIDATION
DE LA PLATEFORME DE CRIBLAGE VIRTUEL VSM-G
ET
ÉTUDE DU DOMAINE FAT DE LA KINASE
D'ADHÉRENCE FOCALE FAK



Soutenue à huis clos le 15 janvier 2008



Membres du Jury :


Rapporteurs : M. Nicolas Moitessier Professeur Assistant, CR CNRS,
Mc Gill University, Montréal, Canada

M. Luc Morin-Allory Professeur, Université d'Orléans, Orléans
Examinateurs : M. Daniel Canet Professeur, Université H. Poincaré, Nancy
Mme Marie-Dominique Devignes CR CNRS, LORIA, Nancy
M. Nicolas Floquet CR CNRS, Faculté de Pharmacie, Montpellier

M. Bernard Maigret DR CNRS, LORIA, Nancy (Directeur de thèse)
M. Michel Souchet Docteur, Fournier Pharma / Solvay, Daix

Équipe ORPAILLEUR, Laboratoire Lorrain de recherche en Informatique et ses Applications (LORIA)
UMR 7503 - Campus Scientifique - BP 239 - 54506 Vandœuvre-lès-Nancy Cedex





Université Henri Poincaré – Nancy I
U.F.R. Sciences et techniques de la matière et des procédés
École doctorale lorraine de chimie et physique moléculaires




Thèse
présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université Henri Poincaré
en Chimie Informatique et Théorique
par Alexandre Beautrait


DÉVELOPPEMENT ET VALIDATION
DE LA PLATEFORME DE CRIBLAGE VIRTUEL VSM-G
ET
ÉTUDE DU DOMAINE FAT DE LA KINASE
D'ADHÉRENCE FOCALE FAK



Soutenue à huis clos le 15 janvier 2008



Membres du Jury :


Rapporteurs : M. Nicolas Moitessier Professeur Assistant, CR CNRS,
Mc Gill University, Montréal, Canada

M. Luc Morin-Allory Professeur, Université d'Orléans, Orléans
Examinateurs : M. Daniel Canet Professeur, Université H. Poincaré, Nancy
Mme Marie-Dominique Devignes CR CNRS, LORIA, Nancy
M. Nicolas Floquet CR CNRS, Faculté de Pharmacie, Montpellier

M. Bernard Maigret DR CNRS, LORIA, Nancy (Directeur de thèse)
M. Michel Souchet Docteur, Fournier Pharma / Solvay, Daix

Équipe ORPAILLEUR, Laboratoire Lorrain de recherche en Informatique et ses Applications (LORIA)
UMR 7503 - Campus Scientifique - BP 239 - 54506 Vandœuvre-lès-Nancy Cedex

TABLE DES MATIÈRES


1 PARTIE 1 - INTRODUCTION

3 I- Étude théorique du vivant à l’échelle moléculaire .......................................................
3 I-1. Structure des biomolécules ....................................................................................
I-1.1. Des acides nucléiques à l’information génétique ........................................ 3
I-1.2. Du génome au protéome .............................................................................. 4
I-2. Vue globale : du génome à l’interactome .............................................................. 7
I-3. L’ère de la post-génomique ................................................................................... 8

10 II- Étapes de mise au point d’un médicament ....................................................................
II-1. Identification et validation des cibles thérapeutiques .......................................... 11
II-2. Identification des composés prometteurs (touches) ............................................. 11
II-3. Mise au point et optimisation de composés spécifiques (têtes de série) .............. 13
II-4. Essais pré-cliniques et cliniques .......................................................................... 13
14 II-5. Bilan financier ................................................

III- Rôle des méthodes informatiques dans l’étude du vivant et contribution de la
15
modélisation moléculaire ...................................................................................................


III-1. L’essor de l’informatique et l’avènement des simulations ................................. 15
III-2. La modélisation moléculaire et ses applications ................................................ 16

17 IV- Présentation des travaux de recherche ............................................................................

19 PARTIE 2 – MÉTHODOLOGIE

I- La mécanique moléculaire ................................................................................................. 21
21 I-1. Notions de potentiels et de champs de force .........................................................
22 I-1.1. Potentiel entre atomes liés ...........................................................................
I-1.2. Potentietomes non-liés .................................................................... 23
I-2. Paramétrisation du champ de force et son application aux biomolécules ............. 26
I-3. Principal axe de développement des champs de force : la polarisation ................ 27
28 I-4. Méthodes d’exploration de l’hypersurface d'énergie d’un système moléculaire ..
28 I-4.1. Minimisation de l'énergie ............................................................................
I-4.2. Méthodes de recherche conformationnelle .................................................. 30
Recherche systématique .............................................................................. 30
Recherche stochastique - exemple du Monte Carlo .................................... 31
31 Recherche déterministe - exemple de la dynamique moléculaire ..............
32 I-5. Les ensembles thermodynamiques ........................................................................

i

I-6. La dynamique moléculaire .................................................................................... 32
32 I-6.1. Principe ........................................................................................................
I-6.2. Intégration des trajectoires .......................................................................... 33
I-7. Méthodes de description de l’environnement ....................................................... 35
I-7.1. Représentation du solvant ........................................................................... 35
I-7.2. Conditions périodiques aux limites ............................................................. 35
36 I-7.3. Prise en compte des interactions entre atomes non-liés ..............................
I-7.4. Calcul des interactions électrostatiques ....................................................... 37
I-8. Particularité des systèmes biomoléculaires par dynamique moléculaire .............. 37
I-8.1. La dynamique moléculaire portée sur des architectures parallèles ............. 38
I-8.2. Vers la simulation de systèmes de plus en plus complexes ......................... 39

40 II- Les techniques informatiques de la recherche de médicaments ................................
II-1. Le principe du criblage virtuel ............................................................................. 40
II-1.1. Utilisation dans le cadre de la recherche de nouveaux médicaments ........ 40
II-1.2. Les différentes stratégies du criblage virtuel ............................................. 41
II-2. Le docking ........................................................................................................... 44
44 II-2.1. Principe ....................................................................
II-2.2. Représentation du système ......................................................................... 45
II-2.3. La recherche de la pose optimale ............................................................... 46
Docking rigide ............................................................................................ 47
Docking semi-flexible ................................................................................. 47
48 Docking flexible .........................................................................................
II-2.4. L'évaluation du score des poses ................................................................. 49
Les fonctions de score basées sur un champ de force ................................. 50
de score empiriques .............................................................. 51
de score basées sur des connaissances statistiques .............. 51
51 Les fonctions consensus ..............................................................................
Autres types de fonctions de score ............................................................. 52
II-2.5. Pertinence des résultats de docking et perspectives ................................... 52

55 PARTIE 3 – RÉSULTATS
I- Développement et validation de la plateforme de criblage virtuel à haut-débit
57
VSM-G ..................................................................................................................................

I-1. Motivations ............................................................................................................ 57
I-2. Présentation de la plateforme VSM-G .................................................................. 58
I-2.1. Stratégie multi-étapes de VSM-G ............................................................... 58
I-2.2. Premier filtre de l'entonnoir de criblage de VSM-G ................................... 59
I-2.3. Validation du filtre géométrique au sein de l'entonnoir de criblage de 60
VSM-G ..................................................................................................................
I-2.4. Examen de la flexibilité du site actif de LXR β ........................................... 60
I-3. Article #1 "SHEF: a vHTS geometrical filter using coefficients of spherical 63
harmonics molecular surfaces" ....................................................................................
I-4. Article #2 "Multiple-step virtual screening using VSM-G: Overview and 83
validation of fast geometrical matching enrichment" ..................................................
I-5. Article #3 "Induced fit in Liver X Receptor beta: A molecular dynamics-based
113 investigation" ...............................................................................................................

ii
I-6. Emploi de VSM-G dans une campagne de criblage à grande échelle .................. 135
I-6.1. Échantillonnage de la cible .......................................................................... 135
138 I-6.2. Échage des ligands de la chimiothèque .........................................
I-6.3. Le criblage ................................................................................................... 138
I-7. Conclusion et perspectives .................................................................................... 140

142 II- Étude du domaine FAT de la kinase d’adhérence focale FAK .................................
II-1. Présentation de la protéine FAK .......................................................................... 142
143 II-1.1. Organisation de la protéine FAK ...............................................................
II-1.2. Activation de la protéine FAK .................................................... 145
II-1.3. Principaux processus cellulaires régulés par FAK ..................................... 146
II-1.4. FAK, une cible d’intérêt thérapeutique pour le traitement du cancer ........ 148
II-1.5. Accessibilité structurale des domaines de FAK ......................................... 149
150 II-1.6. Objectifs et positionnement de nos travaux ...............................................
II-2. Fonctions et caractérisation du domaine FAT de FAK ....................................... 151
II-2.1. Rôles biologiques ....................................................................................... 151
Localisation de FAK au sein du complexe d’adhérence focale .................. 151
Décrochage du complexe d’adhésion et activation de la voie Ras-MAPK 152
153 II-2.2. Structure tridimensionnelle ........................................................................
Déterminants structuraux de l’interaction FAT-Paxilline .......................... 154
Déterminants structuraux nécessaires à la phosphorylation de Tyr ........ 155 925
Déterminants structuraux nécessaires à la désolidarisation de H1 du reste
156 du fagot .......................................................................................................
II-3. Influence de la région charnière entre H1-H2 du domaine FAT dans la
157 régulation de la protéine FAK ......................................................................................
II-4. Article #4 "Conformation of the Focal Adhesion Targeting domain is critical
161 for FAK interactions in cells" ......................................................................................
II-5. Conception in silico de peptidomimétiques de la Paxilline ciblant le domaine 181
FAT ..............................................................................................................................
II-5.1. Objectifs ..................................................................................................... 181
II-5.2. Préparation de la simulation du système FAT-LD4.......................... ......... 182
II-5.3. Résultats de la simulation par dynamique moléculaire .............................. 183
Stabilité du système FAT-LD4 ................................................................... 183
184 Détails des interactions ..............................................................................
II-5.4. Conception des molécules mimétiques ...................................................... 185
Détermination du châssis "idéal" ................................................................ 186
Variations sur les pseudo chaînes latérales ................................................. 189
II-5.5. État des lieux .............................................................................................. 190
191 II-6. Conclusion et perspectives ................................................................


193 PARTIE 4 – CONCLUSION GÉNÉRALE


197 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
217 ANNEXE

iii