Développement et validation de la plateforme de criblage virtuel VSM-G et étude du domaine FAT de la kinase d'adhérence focale FAK, Development and validation of the virtual screening platform VSM-G and study of the fat domain of the focal adhesion kinase (FAK)

De
Publié par

Sous la direction de Bernard Maigret
Thèse soutenue le 15 janvier 2008: Nancy 1
Les travaux présentés dans ce mémoire se situent dans le cadre général de la recherche de nouveaux médicaments par le biais de techniques informatiques. La première partie de ce document est centrée autour du développement de la plateforme logicielle VSM-G (Virtual Screening Manager for Grids). Le but poursuivi par ce projet est de fournir un outil convivial et simple d'utilisation afin de conduire des études de criblage virtuel à haut-débit. Le coeur de VSM-G repose sur une stratégie multi-étapes de filtres successifs permettant le traitement efficace de chimiothèques de grande taille. Deux filtres ont été utilisés pour ce travail et implémentés dans VSM-G : un programme innovant d’estimation rapide de complémentarité géométrique entre molécules-candidates et site actif (SHEF) précéde un algorithme de docking flexible plus conventionnel (GOLD). Les avantages de cette méthodologie, associée à la prise en charge de multiples conformations de la cible étudiée (le récepteur nucléaire LXRß), sont présentés tout d’abord par une étude de preuve de concept, puis à travers une campagne de criblage virtuel à grande échelle. L'autre partie de ces travaux, exclusivement applicative, concerne l'étude du domaine FAT de la kinase d'adhérence focale FAK. FAK est une cible d’intérêt pharmaceutique particulièrement intéressante, car clairement impliquée dans divers processus de développement cancéreux. Le but de cette étude est double : il s’agit tout d’abord de mieux comprendre le mode de fonctionnement du domaine FAT de FAK à travers une étude biophysique pour en évaluer la flexibilité ; et ensuite concevoir in silico des petites molécules peptidomimétiques permettant de moduler son activité, ce qui pourrait limiter une progression tumorale.
-Mise au point de nouveaux médicaments
-Conception de peptidomimétiques
-Criblage virtuel haut-débit
-Domaine FAT
-Docking
-Vsm-g
The work presented here deals with drug discovery by means of computational techniques. The first part is focused around the development of the VSM-G (Virtual Screening Manager for Grids) software platform. This project aims to provide a user-friendly and easy-to-use tool for performing high throughput virtual screening experiments. The core of VSM-G is a multiple-step screening strategy in which several filters are organized sequentially as to tackle large chemical libraries efficiently. Two filters were used for this study and implemented into VSM-G: a new and fast ligand-active site geometrical complementarity estimation program (SHEF) precedes a conventional flexible docking tool (GOLD). We describe the advantages of such an approach, associated with the use of multiple target conformations for the LXRß nuclear receptor, by presenting a proof-of-concept study. A high-throughput virtual screening campaign is then performed. The second part of this work, exclusively applicative, deals with the study of the FAT domain of the focal adhesion kinase (FAK). FAK is an important pharmaceutical target due to its involvement in the development of various forms of cancer. The first goal is to gain knowledge regarding FAT flexibility and active state structural properties. The second objective is to design in silico peptidomimetic compounds targeting FAT and therefore potentially modulate FAK activity during tumour progression.
Source: http://www.theses.fr/2008NAN10001/document
Publié le : mercredi 26 octobre 2011
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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

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