Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur

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Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur Strasbourg I Discipline : Sciences Pharmaceutiques Développement de nouvelles méthodes bioinformatiques pour l'étude des récepteurs couplés aux protéines G Soutenue publiquement le 24 mai 2006 par Jean-Sébastien Surgand Membres du jury Directeur de thèse Dr. Didier Rognan, Directeur de recherches, Strasbourg Rapporteur interne Pr. Mohamed Tajine, Professeur, Strasbourg Rapporteur externe Dr. Bernard Maigret, Directeur de recherches, Nancy Rapporteur externe Dr. Gilles Labesse, Chargé de recherches, Montpellier Examinateur Pr. Marcel Hibert, Professeur, Strasbourg

  • classification historique par ligands

  • nancy rapporteur externe

  • classification par proprietes des acides amines

  • classifications des rcpg

  • membres du jury directeur de thèse

  • aspects pharmacologiques

  • directeur de la recherche


Publié le : lundi 1 mai 2006
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Source : scd-theses.u-strasbg.fr
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Thèse présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur
Strasbourg I

Discipline : Sciences Pharmaceutiques















Développement de nouvelles méthodes bioinformatiques
pour l’étude des récepteurs couplés aux protéines G



Soutenue publiquement le 24 mai 2006
par Jean-Sébastien Surgand












Membres du jury

Directeur de thèse Dr. Didier Rognan, Directeur de recherches, Strasbourg
Rapporteur interne Pr. Mohamed Tajine, Professeur, Strasbourg
Rapporteur externe Dr. Bernard Maigret, Directeur de recherches, Nancy Dr. Gilles Labesse, Chargé de recherches, Montpellier
Examinateur Pr. Marcel Hibert, Professeur, Strasbourg 2Remerciements
Je remercie tout d’abord mon directeur de these? Didier Rognan de m’avoir accept¶e
pour^etre son¶etudiant. Il m’a donn¶e une excellente formation aux domaines de la bio- et
chimioinformatique(quejeneconnaissaispas)etm’ainiti¶eaumondedelarecherchepar
sa comp¶etence et sa patience. J’ai beaucoup appris gr^ace a? lui et je lui dois beaucoup.
Je remercie ¶egalement Marcel Hibert de m’avoir accueilli dans son laboratoire, ainsi
quetouslesmembresdel’UMR7175pouravoirsupport¶emesexpos¶esunpeuinhabituels.
Merci en particulier a? Fran»coise Herth pour son aide administrative, a? Bruno Didier et
Nelly Maechler pour leur aide informatique.
Je remercie les rapporteurs pour avoir accept¶e de juger ce travail, et en particu-
lier Mohamed Tajine qui m’a dirig¶e vers ce domaine et qui, dans ses cours, montre les
math¶ematiques sous leur plus bel aspect.
Merci aux membres du groupe de Bioinformatique dans lequel j’ai ¶evolu¶e pendant
4 ans, et qui m’ont beaucoup aid¶e: Esther Kellenberger, Pascal Muller, Claire Schalon,
GillesMarcou,NicolasFoata,Nathana˜elWeill,CaterinaBarillari,BernardCoupez,Chris
de Graaf. Et aussi les pr¶ec¶edents membres que je n’oublie pas: Antoine Logean, Jordi
Rodrigo de Losada, Guillaume Bret, Eui-Ki Kim, Patchreenard Saparpakorn, Sandrine
Longuet, Michele? Mathis. Un grand merci en particulier pour Nicodeme? Paul, a? qui j’ai
3trop souvent essay¶e d’imposer mes points de vue, je lui dois beaucoup; et aussia? Mireille
Krier pour ses encouragements et sa bonne humeur.
Mercibiensur^ a?toutemafamillequim’atoujourssoutenu,durantmath?eseetavant.
Merci enflna? toutes les personnes que j’ai oubli¶ees mais qui ont particip¶ea? ce travail.
4Table des matieres?
1 Classiflcation des RCPG 23
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2 Les r¶ecepteurs coupl¶es aux prot¶eines G (RCPG) . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.1 Aspects biologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.2 Aspects chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.3 Aspects pharmacologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3 Classiflcations des RCPG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.1 Classiflcation historique par ligands . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3.2 Classiflcations phylog¶en¶etiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.3.3 par automates statistiques . . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.4 Classiflcation par propri¶et¶es des acides amin¶es . . . . . . . . . . . 39
1.3.5 par empreintes de r¶esidus . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.3.6 Classiflcation par composition en acides amin¶es . . . . . . . . . . 42
1.3.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2 Classiflcation de s¶equences 49
52.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2 M¶ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.1 Les s¶equences des RCPG en entr¶ee . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.2 Alignements des parties transmembranaires . . . . . . . . . . . . 58
2.2.3 S¶election de 30 acides amin¶es critiques . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2.4 M¶ethodes de classiflcation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.5 Choix d’une m¶ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.2.6 La m¶ethode UPGMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2.7 Distance entre s¶equences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.2.8 Le bootstrapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.3 R¶esultats et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.3.1 Description de l’arbre obtenu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.3.2 Comparaison avec la classiflcation GRAFS . . . . . . . . . . . . . 76
2.3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.3.4 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3 Classiflcation par structures 97
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.2 M¶ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2.1 Les modeles? utilis¶es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.2.2 Les descripteurs calcul¶es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.3 La discr¶etisation de la sphere? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.2.4 La projection des descripteurs sur la sphere? . . . . . . . . . . . . 115
63.2.5 Comparaison entre deux cartes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.2.6 Alignement de deux structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.2.7 Alignements de plusieurs structures entre elles . . . . . . . . . . . 124
3.3 R¶esultats et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.3.1 La classiflcation des RCPG obtenue . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.3.2 Discussion sur l’outil d’alignement structural . . . . . . . . . . . . 133
3.3.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
78R¶esum¶e
Les r¶ecepteurs coupl¶es aux prot¶eines G (RCPG) sont des prot¶eines membranaires
responsables de la transduction de signaux de l’ext¶erieur vers l’int¶erieur de la cellule.
Localis¶es partout dans l’organisme, ils sont impliqu¶es dans de tr?es nombreuses fonc-
tions physiologiques comme la vision, l’olfaction, la croissance et l’adh¶esion cellulaire, la
r¶egulation hormonale, etc. Ils sont cibles d’une grande diversit¶e de ligands: des photons,
des ions, des amines biog?enes, des hormones, des glycoprot¶eines, des mol¶ecules odorantes
et gustatives, etc.
UnRCPGestform¶ede7h¶elicesfitransmembranairesreli¶eespardesbouclesintra-et
extra-cellulaires.Ces7h¶elicesfid¶elimitentunecavit¶e.Lesligandsseflxentsoitdanscette
cavit¶esoitauniveaudesbouclesextra-cellulaires,activantler¶ecepteurquivaseliera?une
prot¶eine Ga? l’int¶erieur de la cellule, initiant une cascade de r¶eactions chimiques. Un seul
RCPG a ¶et¶e cristallis¶e jusqu’ a pr¶esent, la rhodopsine bovine, apportant une information
structurale pr¶ecieuse.
Les RCPG pr¶esentent un grand int¶er^et pharmacologique. Leur diversit¶e et les nom-
breuses fonctions qu’ils contr^olent les font intervenir dans de nombreuses pathologies.
Plus de 30% des nouveaux m¶edicaments mis sur le march¶e ciblent des RCPG. De plus,
beaucoup de RCPG sont encore orphelins, c’est- a-dire sans ligand connu, et poss?edent
9donc un fort potentiel pharmacologique.
Les RCPG forment une super-famille de plus d’un millier de membres, dont la grande
majorit¶e sont responsables de la perception des mol¶ecules olfactives.
Le site de liaison de la plupart des RCPG est situ¶e dans la cavit¶e transmembranaire;
maispourcertains,lesiteestexternea?lamembraneetleligandseflxeauxbouclesextra-
cellulaires.Maism^emedanscescas,lesr¶ecepteursposseden? tunecavit¶etransmembranaire
et c’est sur elle que nous focalisons notre travail.
Plusieurs classiflcations des RCPG ont d¶ej a ¶et¶e propos¶ees: phylog¶en¶etiques, bas¶ees
sur des automates statistiques, sur des empreintes physico-chimiques ou sur la compo-
sition en acides amin¶es. Mais aucune ne prend en compte pr¶ecis¶ement le point de vue
pharmacologique, ax¶e sur le ligand (le m¶edicament).
C’est pourquoi nous proposons une nouvelle classiflcation des RCPG orient¶ee phar-
macologie. Elle est bas¶ee sur l’¶etude de r¶esidus suppos¶es critiques de la cavit¶e trans-
membranaire, qu’on pense interagir avec des ligands. Nous partons d’un jeu de donn¶ees
de 369 s¶equences de RCPG humains non-olfactifs, aussi ( propre ) que possible. Puis
nous alignons les parties transmembranaires de fa»con automatique mais avec une ¶etape
de v¶eriflcation et de ra–nement manuels. Ensuite nous extrayons 30 r¶esidus critiques en
¶etudiant la cavit¶e de la rhodopsine bovine, dont les parties transmembranaires ont une
tres? forte identit¶e avec celles de la rhodopsine humaine (94%). Nous supposons que ces
30 r¶esidus sont critiques pour tous les RCPG, c’est- a-dire que la forme des cavit¶es de
tous les r¶ecepteurs est globalement conserv¶ee. Cette supposition est ¶etay¶ee par diverses
publications. Enfln nous classiflons ces s¶equences discontinues par une m¶ethode de clus-
10

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