Détermination de l’importance de descripteurs moléculaires

sur la mobilité dans la plante de molécules naturelles

ou xénobiotiquesFrançoise Rocher, Gabriel Roblin, Jean-François Chollet

Quelques rappels sur la systémie des produits phytopharmaceutiques

Quelques rappels sur la systémie des produits phytopharmaceutiques

• La condition sine qua non : franchir la barrière constituée par la membrane plasmique

• Deux mécanismes principaux :- Diffusion avec mécanisme

de piégeage d’acide (herbicides auxiniques)

- Transport actif pour quelques molécules (glyphosate, paraquat)

Les modèles prédictifs de Kleier et Bromilow

Kleier DA, Grayson BT, Hsu FC (1998) Pestic. Outlook 9: 26-30

Bromilow RH, Chamberlain K (1989) Pestic. Sci. 25: 326-327

La mobilité de l’acide salicylique et ses analogues halogénés

• Rocher F, Chollet JF, Jousse C, Bonnemain JL(2006) Salicylic acid, an ambimobile moleculeexhibiting a high ability to accumulate in the phloem. Plant Physiology141: 1684-1693

• Rocher F, Chollet JF, Legros S, Jousse C, Lemoine R, Faucher M, Bush DR, Bonnemain JL(2009) Salicylic acidtransport in Ricinuscommunis involves a pH-dependent carrier system in addition to diffusion. Plant Physiology 150:2081-2091

Le modèle Mimosa pudica L. et la séismonastie

Effet de l’acide salicylique et 53 analogues sur la séismonastie

A : Dérivés de l’acide salicylique

B : Dérivés de l’acide benzoïque substitués en position 2 par un groupe autre que -OH

C : Dérivés de l’acide benzoïque diversement substitués ailleurs que sur la position 2

D : Allongement de la chaine portant le groupe -COOH ou fonction autre que -COOH

• Rocher F, Dedaldechamp F, Saeedi S, Fleurat-Lessard P, Chollet J-F, Roblin G (2014) Modifications of the chemical structure of phenolics differentially affect physiological activities in pulvinar cells of Mimosa pudica L. I. Multimode effect on early membrane events. Plant Physiol. Biochem. 84: 240-250

COOH

OH

R

COOH

R

COOH

R

R1

RHO

R = COOH, CONH2,

CHO, CONHOH

n

Corrélation entre 10 descripteurs moléculaires et l’inhibition séismonastique Les descripteurs ont été choisis selon des critères

« d’antériorité » dans l’étude de la systémie des composés phytosanitaires : pKa,

log D,

% forme non dissociée

D’utilisation dans des études médicales lors du passage par les médicaments des barrières intestinale ou hémato-encéphalique (phénomène diffusif) : masse molaire (MW),

volume molaire (MV),

réfractivité molaire (MR),

surface polaire (PSA),

nombre de groupes donneurs et accepteurs de liaisons hydrogène (HBD + HBA),

nombre de liaisons permettant une libre rotation (FRB),

ratio d’atomes d’halogènes dans la molécule (Hal ratio).

Règles de Lipinski : « Rule of five »

Un « candidat médicament » sera prédit comme étant peu ou pas absorbé au niveau de l’intestin (Lipinski et al, 1997, Advanced Drug

Delivery Reviews, 23, 3-25) si :

la masse moléculaire MW > 500 Da

la structure comporte plus de 5 donneurs de liaisons hydrogène HBD

la structure comporte plus de 10 accepteurs de liaisons hydrogène HBA

la valeur de log P (log Kow) est > 5

Des compléments ont été apportés, notamment par Veber (Veber

et al, 2002, J. Med. Chem., 45, 2615-23) :

Le nombre de liaisons à libre rotation (FRB) est > 10

La surface polaire de la molécule (PSA) est > 140 Å2

Définition de quelques descripteurs

Polar Surface Area (PSA)Hydrogen Bond Donor (HBD) ; Hydrogen Bond Acceptor (HBA) ;Free Rotatable Bonds (FRB)

HBD = 3

HBA = 4

acide salicylhydroxamique

FRB = 1

Régression PLS : VIP et coefficients normalisés

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8 H

BD

+H

BA

PS

A

Hal ra

tio

FR

B

Lo

gD

MV

MW

MR

UF

pK

a

VIP

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

HB

D +

HB

A

PS

A

Ha

l ra

tio

FR

B

Lo

gD

MV

MW

MR

UF

pK

a

Sta

nd

ard

ize

d c

oeff

icie

nts

A

B

C

2

5

7

8

9

10 11

12

13 14

15

16

17

18 19

20

21

22 23

24 25

26

27

29 30

31

32

33 34

36

37

38

39

40

43

44

45

46

47

48

49

52

53

y = x + 1E-13 R2 = 0.58

-20

0

20

40

60

80

100

-20 0 20 40 60 80 100

Se

ism

on

as

ty i

nh

ibit

ion

(%

)

Predicted seismonasty inhibition (%)

1

3

4

6

28

35

41

42

50 51

Figure XX: Relationships between seismonasty inhibition and 10 calculated

molecular descriptors for the 43 compounds of the training set using PLS analy-

sis. (A) VIP plot. HBD + HBA: Hydrogen bond donnors and acceptors ; PSA:

Polar Surface Area ; Hal ratio: halogen ratio ; FRB: Free Rotatable Bonds ; LogD:

Distribution coefficient ; MV: Molecular Volume ; MW: Molecular Weight ; MR:

Molar refractivity ; UF: Undissociated Form ; pKa: acid dissociation constant. (B)

Standardized coefficients (95% confidence interval). (C) Correlations between

observed and calculated seismonasty inhibition for the 43 compounds of the

training set (black numbers). The 10 compounds of the validation set are repre-

sented by red numbers. (QSAR eq: Seismonasty Inhibition = 31.774 -

3.255*(HBD + HBA) - 0.314*PSA + 62.930*Hal ratio - 4.732*FRB + 4.279*LogD

+ 0.235*MV + 0.052*MW + 0.415*MR + 0.052*UD - 1.044*pKa)

• Les descripteurs importants sont (VIP > 1) :- HBD + HBA- PSA- Hal ratio- FRBEt dans une moindre mesure (0,8 < VIP < 1) :- log D- MV

• La corrélation est soit positive :- Hal ratio- log D- MVSoit négative :- HBD + HBA- PSA- FRB

Régression PLS : modèle prédictif

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

HB

D+

HB

A

PS

A

Hal ra

tio

FR

B

Lo

gD

MV

MW

MR

UF

pK

a

VIP

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

HB

D +

HB

A

PS

A

Ha

l ra

tio

FR

B

Lo

gD

MV

MW

MR

UF

pK

a

Sta

nd

ard

ize

d c

oeff

icie

nts

A

B

C

2

5

7

8

9

10 11

12

13 14

15

16

17

18 19

20

21

22 23

24 25

26

27

29 30

31

32

33 34

36

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39

40

43

44

45

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47

48

49

52

53

y = x + 1E-13 R2 = 0.58

-20

0

20

40

60

80

100

-20 0 20 40 60 80 100

Se

ism

on

as

ty i

nh

ibit

ion

(%

)

Predicted seismonasty inhibition (%)

1

3

4

6

28

35

41

42

50 51

Figure XX: Relationships between seismonasty inhibition and 10 calculated

molecular descriptors for the 43 compounds of the training set using PLS analy-

sis. (A) VIP plot. HBD + HBA: Hydrogen bond donnors and acceptors ; PSA:

Polar Surface Area ; Hal ratio: halogen ratio ; FRB: Free Rotatable Bonds ; LogD:

Distribution coefficient ; MV: Molecular Volume ; MW: Molecular Weight ; MR:

Molar refractivity ; UF: Undissociated Form ; pKa: acid dissociation constant. (B)

Standardized coefficients (95% confidence interval). (C) Correlations between

observed and calculated seismonasty inhibition for the 43 compounds of the

training set (black numbers). The 10 compounds of the validation set are repre-

sented by red numbers. (QSAR eq: Seismonasty Inhibition = 31.774 -

3.255*(HBD + HBA) - 0.314*PSA + 62.930*Hal ratio - 4.732*FRB + 4.279*LogD

+ 0.235*MV + 0.052*MW + 0.415*MR + 0.052*UD - 1.044*pKa)

• En noir, le « training set » qui a servi à établir le modèle ; en rouge le « validation set » pour valider la modèle (tirage aléatoire)• Notre modèle explique près de 60 % du phénomène observé, le franchissement de la membrane plasmique est donc prépondérant pour avoir une inhibition de la séismonastie• Deux composés sortent du lot en ayant une inhibition mesurée très supérieure à celle prédite : l’acide salicylique (1) et l’aspirine (15)• Pour expliquer l’activité de l’acide salicylique, de nombreux autres paramètres interviennent très certainement : transport actif, fixation sur des récepteurs, etc…

Visualisation des corrélations entre les descripteurs et la séismonastie

-20

0

20

40

60

80

100

G1 G2 G3 G4 In

hib

itio

n (

%)

0

50

100

150

200

G1 G2 G3 G4

MW

0

50

100

150

G1 G2 G3 G4

MV

(c

m3)

0

10

20

30

40

50

G1 G2 G3 G4

MR

0

1

2

3

4

5

G1 G2 G3 G4

pK

a

-1.0

-0.5

0

0.5

1.0

1.5

G1 G2 G3 G4

Lo

gD

0

20

40

60

80

100

G1 G2 G3 G4

UF

(%

)

0

20

40

60

80

G1 G2 G3 G4

PS

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2)

0

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4

6

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G1 G2 G3 G4

HB

D +

HB

A

0

1

2

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4

G1 G2 G3 G4

FR

B

0

0.05

0.15

0.15

0.20

G1 G2 G3 G4

Ha

l ra

tio

a

a

abbc

c

a

abbc

c

c

a ab

bc c

a a

ab

b

b

a a ab

b

a a

a a

a aa a

a a aa

aa

aa

a

a a a

d

a aa a

A B

C D E

F G H

I J K

Figure XX: Analysis of the relationships between ten molecular descriptors of SA and its analogs and the inhibition

of seismonasty. (A) The tested products were ranked by decreasing inhibitory activity of seismonasty then divided

into four equal groups G1, G2, G3, and G4. (B-K) Molecular descriptors are shown for each group (Median ± Inter -

quartile range). Different letters (a, b, c, d) indicated significant differences between the groups at the 1% probabi-

lity level by Kruskall-Wallis test. HBD + HBA: Hydrogen bond donnors and acceptors ; PSA: Polar Surface Area ;

Hal ratio: halogen ratio ; FRB: Free Rotatable Bonds ; LogD: Distribution coefficient ; MV: Molecular Volume ; MW:

Molecular Weight ; MR: Molar refractivity ; UF: Undissociated Form ; pKa: acid dissociation constant.

Conclusions & perspectives

Les descripteurs qui influent de façon marquée sur la diffusion autravers de la membrane plasmique de Mimosa sont ceux qui sontmis en avant dans les études médicales (résorption intestinale,Caco-2 cells) : HBD + HBA, PSA, FRB, Hal ratio

Ces descripteurs peuvent permettre de savoir si l’effet biologiqueobservé pour une molécule donnée nécessite un transport dans lacellule ou un compartiment de celle-ci

Cette étude pourrait servir de base pour la construction d’unnouveau modèle prédictif de mobilité dans la plante descomposés phytosanitaires pour remplacer les modèles existantsvieillissants

Il est aussi possible d’imaginer une utilisation des végétaux pourfaire des criblages de molécules à vocation médicamenteuse, d’unpoint de vue activité biologique ou encore toxicologique