Laurent SALMON Laboratoire de Chimie Bioorganique et Bioinorganique ICMMO CNRS-UMR 8182

Laurent SALMONLaboratoire de Chimie

Bioorganique et BioinorganiqueICMMO CNRS-UMR 8182

Université Paris-Sud XI

Les simulations Numériques en Chimie à Paris-SudLes simulations Numériques en Chimie à Paris-Sud24 octobre 201224 octobre 2012

Etudes structurales de complexes de la phosphomannose isomérase de C. albicans

à l’aide du logiciel de mécanique moléculaire polarisable SIBFA

Nohad GRESHLaboratoire de Chimie et Biochimie

Pharmacologiques et Toxicologiques CNRS-UMR 8601

Université Paris Descartes

Plan de l’exposé

A. Contexte de l’étude1. Les aldose-cétose isomérases2. Stratégie développée3. Inhibition des PGI et PMI par le 5PAH4. Structure cristalline du complexe RmPGI-5PAH

B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans1. Structure 3D par diffraction des RX de CaPMI2. SIBFA : présentation3. SIBFA : PMI de C. albicans4. SIBFA : complexes CaPMI-5PAH vs CaPMI-5PAA5. SIBFA : site actif du complexe PMI-5PAH6. SIBFA : site actif du complexe PMI--M6P7. Proposition mécanistique

C. Conclusion et perspectives

1. Les aldose-cétose isomérases

H O

R

H OH

OH

R

O

HH

aldose cétose

E.C. 5.3.1.x1

2 • 25 enzymes référencées• structures, mécanismes inconnus• peu d’inhibiteurs connus efficaces• non-considérées comme cibles thérapeutiques

Inhibiteurs CompétitifsAnalogues de l'ET ou d'IHE

• synthèse des inhibiteurs potentiels• extraction/purification des enzymes • évaluation cinétique

Aspects Structurauxet Mécanistiques

Structures 3D complexes EI• nature du site actif• proposition de mécanismes• différences mécanistiques/structurales• aspect spécificité

Aspects Thérapeutiques Potentiels

Agents thérapeutiques• antiparasitaires• anticancéreux• antibactériens

A. Contexte de l’étude

HN

R

O

OH

N

R

O-OH

N

R

OH

OH

N

R

OH

O- HN

R

O

O-

pKa = 9-9.5

HN

R

O

NH2O-

R

O

NH2

R

O

CHO

R

OHR

OH(O-)R

O

1

2

OH OH

intermédiaire de haute énergie (IHE)1,2-cis-ènediolate (PGI, PMI...)

2. Stratégie développée

2.1-Inhibiteurs analogues d’IHE/ET2.1-Inhibiteurs analogues d’IHE/ET

R O P

O

O-

O-

R O P

S

O-

O-

R CH2 P

O

O-

O-

RO-

O-

O

O

R O S

O

O

O-

R CH2 S

O

O

O-

série phosphate série phosphonate

série phosphorothioate série malonate

série sulfate

série sulfonate

2.2-Inhibiteurs phosphomimes analogues d’IHE/ET ou de substrats2.2-Inhibiteurs phosphomimes analogues d’IHE/ET ou de substrats

R O P

O

O-

O- R OH

phosphatasesH2O


3. Inhibition des PGI et PMI par le 5PAH

acide 5P-D-arabinono-hydroxamique (5PAH)

HN

O

HO

OH

OH

CH2OPO32-

OH

O

HOHO

HO

OPO32-

OH

O-(OH)

OH

HO

OH

OH

CH2OPO32-

IHE 1,2-cis-ènediolate(diol)

HO

OH

OH

CH2OPO32-

OH

CHO

HO

OH

OH

CH2OPO32-

O

CH2OH

OHO

OH

OPO32-

OH

OH

G6P F6P

OHO

HOHO

OPO32-

OH

O-(OH)

OH

HO

OH

OH

CH2OPO32-

IHE 1,2-cis-ènediolate(diol)

HO

OH

OH

CH2OPO32-

CHO

HO

OH

OH

CH2OPO32-

O

CH2OH

OHO

OH

OPO32-

OH

OH

M6P F6P

HO

PGI :

PMI :

RmPGIYPMI

enzyme

0.1950.137

Ki (µM)

100100

KM (µM)

Rm : Rabbit muscle, Y : yeast

J. Enzyme Inhib. Med. Chem. 2000 Biochemistry 2004

KM/Ki

5121163


4. Structure cristalline du complexe RmPGI-5PAH(en collaboration avec l'équipe du Pr. Jeffery, Chicago)

PDB 1KOJ

5PAH

CONHOH

HO

OH

OH

CH2OPO32-


4. Structure cristalline du complexe RmPGI-5PAH(en collaboration avec l'équipe du Pr. Jeffery, Chicago)

-identification du site actif-mécanisme détaillé :

* ouverture de cycle* transfert de H+ entre C1 et C2

* transfert de H+ entre O1 et O2

-importance OPO32-

-identification du site actif-mécanisme détaillé :

* ouverture de cycle* transfert de H+ entre C1 et C2

* transfert de H+ entre O1 et O2

-importance OPO32-

5PAH

CONHOH

HO

OH

OH

CH2OPO32-

Biochemistry 2001 ; Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002


1. Structure 3D par diffraction des RX de CaPMI

PDB 1PMI[Cleasby, 1996]

• métalloprotéine à zinc (PMI de type I)• une seule structure 3D connue (sans substrat ni inhibiteur au site actif)

mécanisme détaillé inconnu

His113

Wat798 His285

Glu113Gln111

His113

Wat798 His285

ZnGlu113

Gln111

B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans

1. Structure 3D par diffraction des RX de CaPMI

• métalloprotéine à zinc (PMI de type I)• une seule structure 3D connue (sans substrat ni inhibiteur au site actif)

OHHOHO

OPO32-

OHO

HB

M6P

OHHOHO

OPO32-

O-HO

HB+

OHHOHO

OPO32-

OH

-O

HB+

protonationface Si (C1)

déprotonationHSOHHO

HO

OPO32-

OHO

BHS

M6P

F6P

F6P

N

OH

OPO32-

HOHO

HOO-

N

OH

OPO32-

HOHO

-OOH

Biochemistry 2004

mécanisme détaillé inconnu


2. SIBFA : introduction

-Cristallographie/diffraction des RX C. J. Jeffery (UIC-USA)

-Modélisation moléculaire des protéines N. Gresh (Univ Paris Descartes)

• Précision calculs SIBFA ~ ab initio• Calculs possibles sur macrosystèmes > 200 atomes (≠ ab initio)• Temps de calcul SIBFA << temps de calcul ab initio

SIBFA : « Sum of Interactions Between Fragments Ab initio » computed

• Méthode de mécanique moléculaire polarisable formulée et calibrée sur la base de calculs quantiques ab initio

• Prise en compte des interactions électrostatiques intra- et intermoléculaires : complexes métalliques et complexes enzyme-inhibiteur

Procédure « SIBFA »


Complexes PMI-inhibiteur :

O

N

O

NO

N

O

NO

N

O

N

ON

O

OO-

2. SIBFA : introduction

Asn15

Tyr16

Asp17

Trp18

Gly19

• Exemple : reconstitution de la chaîne Asn15-Gly19 de CaPMI :

• Pour chaque fragment constitutif, les données suivantes sont connues :-coordonnées internes-multipôles distribués-polarisabilités


2. SIBFA : introductionB. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans


Eint = EMTP + Erep + Epol + Ect + Edisp

Eint : énergie d’interaction

* EMTP : contribution électrostatique multipolaire* Erep : répulsion à courte portée* Epol : énergie de polarisation* Ect : transfert de charge* Edisp : énergie de dispersion

Eint = Eintcomplexe – (Eint

enzyme + Eintinhibiteur)

Eint comprend également un terme Gsolv dû à la solvation des molécules

3. SIBFA : PMI de C. albicans

15 Å

-CaPMI : 440 aminoacides !-CaPMI réduite : sélection des aa dans un rayon de 15 Å autour du zinc

PDB 1PMI[Cleasby, 1996]



3. Etude SIBFA de la PMI de C. albicans

Asn15-Gly19



Asn15-Gly19Tyr46-His54




Phe97-Lys153




Phe97-Lys153

Val205-Asn211




Phe97-Lys153

Val205-Asn211Gly258-Met333


Phe97-Lys153

Val205-Asn211Gly258-Met333Asp352-Leu361



-CaPMI réduite : 6 chaînes, 164 aminoacides, 732 fragments, 7873 centres-CaPMI réduite minimisée par SIBFA ~ identique CaPMI réduite originale




Phe97-Lys153

Val205-Asn211Gly258-Met333Asp352-Leu361

4. SIBFA : complexes CaPMI-5PAH vs CaPMI-5PAA

A. CaPMI-5PAH/Zn

O

HN

O-

OH

OH

OH2-O3PO

Zn

Eint = -33.8 kcal/mol

B. CaPMI-Zn/5PAH

O

HN-O

OH

OH

OH

OPO32-

Zn

Eint = +19.2 kcal/mol

D. CaPMI-Zn/5PAA

O

-O

OH

OH

OH

OPO32-

Zn

Eint = +57.9 kcal/mol

C. CaPMI-5PAA/Zn

O

O-

OH

OH

OH2-O3PO

Zn

Eint = -5.4 kcal/mol

J. Comput. Chem. 2007


5PAH > 5PAA et -CONHO-/Zn (-COO-/Zn) > -OPO32-/Zn

5. SIBFA : site actif du complexe CaPMI-5PAH

Proteins 2011; J. Phys. Chem. B 2011

pKa = 7.6pKa = 7.6

pKa = -7.0pKa = -7.0

PROPKA


Zn pencoordonné ; 5PAH monodenté au Zn ; Lys136-NH2 base catalytique ?

6. SIBFA : site actif du complexe CaPMI--M6P

Bioorg. Med. Chem. 2009 ; Proteins 2011


-M6P = substrat + H2O nécessaire entre Zn et -M6P

7. Proposition mécanistique : PMI de type I

Proteins 2011


OGln111

N

HN

N

His113

OO-

Glu138

N Lys136

Ser109 O

NH2N

N

Lys310 N

OHOP

OH

O

O-

-O

O

HH

HArg304 H

H

H

H

H

H

H

H

H

H O-

O

HN

N

His285

H

+

+

+

+

HN

N

His113

OGln111

N

OO-

Glu138

N Lys136

Ser109 O

NH2N

N

Lys310 N

OHOP

OH

O

O-

-O

O

HH

HArg304 H

H

H

H

H

H

H

H

H O

O

HN

N

His285

H

H

+

M6P

ZnZn

-M6P -F6P

Etape d’isomérisation du M6P linéaire :

Conclusions et perspectives

1. 5PAH : seul inhibiteur actuel analogue de l’IHE/ET des PMIs

2. Modèles SIBFA en accord avec études cinétiques

3. 5PAH est monocoordonné au Zn par la fonction –CONHOH

4. Identification des aa du site actif et proposition d’un mécanisme

1. SIBFA : PMI humaine … (N. Gresh)

2. SIBFA : Inhibiteurs spécifiques de CaPMI (C. d’Enfert/N. Gresh)

3. Bithérapie anti-infectieuse « inhibiteur non-spécifique + D-mannose

»

4. Substituts de sucres + mimes de phosphate : une approche de type

« fragment-based drug design » (ICSN)

Les acteurs de la recherche

Thèses :• Renaud Hardré• Céline Roux• Johanna Foret• Stéphanie Courtiol-Legourd

Etudes SIBFA de la PMI de C. albicans :• N. Gresh• J.-P. Piquemal• B. de Courcy

Cristallographie de la PGI :• C. J. Jeffery• D. Arsenieva

Merci à toutes et à tous...

Centres de calcul :• CINES (Montpellier)• IDRIS (Orsay)• CRIHAN (Rouen)

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