Aspects électrostatiques

Il a été montré que les interactions électrostatiques jouaient un rôle essentiel pour la reconnaissance, la formation et/ou la stabilisation de complexes protéiques (chapitre II) [174, 175, 176, 178, 179]. Cependant, l’analyse des différents ligands des complexes considérés au sein de chaque système montre une grande hétérogénéité des charges nettes globales Les différentes valeurs calculées sont présentées dans le tableau IV-15 :

« Trypsine bovine » 1C9T 1D6R 1G9I 1OX1 1SFI 1TAW 1TGS 2BTC 2PTC

Charge nette globale -2 -5 0 1 1 -3 1 0 6

Charge nette de l’interface 1 2 1 1 1 1 1 2 4

Charge non compensée 3 1 2 2 2 0 2 4 3 « Trypsine porcine » 1AVX 1EJA 1H9H 1LDT 1MCT 1TFX 1TX6 1UHB 1Z7K

Charge nette globale -10 -3 1 5 1 -3 9 -1 -4

Charge nette de l’interface 0 0 2 4 2 3 0 0 -1

Charge non compensée 9 2 1 5 5 2 4 2 4 « Chymotrypsine bovine » 1ACB 1CA0 1CBW 1CGI 1CHO 1GL0 1GL1 1N8O

Charge nette globale 1 -3 6 -1 0 -1 2 1

Charge nette de l’interface 3 1 3 -1 2 -2 1 3

Charge non compensée 6 1 3 4 3 4 7 4

Tableau IV-15 : Analyse des ligands des trois systèmes, en termes de nombre de charges nettes, totales ou à l’interface seulement. Les valeurs inférieures et supérieures sont, respectivement en bleu et en rouge.

Sous l’hypothèse que les pK des groupements acido-basiques des acides aminés ne soient pas significativement modifiés au sein des ligands par rapport à ceux adoptés par ces groupes dans les acides aminés à l’état libre, les états de charges de ces ligands à pH 7 varient respectivement de -5 à +6, de -10 à +9 et de –3 à +6 pour les ligands du système trypsine bovine, trypsine porcine et chymotrypsine. Les différents ligands d’une même cible peuvent donc posséder des états de charges très divers. L’ analyse de la charge nette globale des résidus des ligands situés à l’interface avec la cible montre également des variations significatives de +1 à +4, de -1 à +4 et de -2 à +3 respectivement pour les complexes des systèmes « trypsine bovine », « trypsine porcine » et « chymotrypsine bovine ». Bien que ces variations apparaissent plus faibles que les variations des états de charge total des ligands, elles peuvent avoir un impact important sur le potentiel électrostatique engendré à l’interface.

Les potentiels électrostatiques des différents ligands ont donc été comparés deux à deux selon le protocole décrit dans son intégralité dans l’annexe A.3. L’analyse graphique du potentiel électrostatique, projeté à la surface de la protéine et dont l’intensité est représentée par un

code de couleur (potentiels négatifs en rouge, potentiels positifs en bleu), permet une comparaison semi-quantitative des ligands de chaque système. Les figures, ainsi obtenues, illustrent les similitudes et les différences entre les potentiels électrostatiques de surface des différents ligands. Sur chacune d’entre-elles, la région correspondant à l’interface avec la cible est cerclée en noir. La figure IV-16 représente le potentiel électrostatique des 9 ligands du système « trypsine bovine ». Certes, dans la région de l’interface, l’intensité et le signe du potentiel électrostatique sont similaires pour les 9 ligands ; cependant, pour les régions distantes du site de liaison avec la cible, les potentiels électrostatiques de surface peuvent présenter des différences très importantes. Ainsi, les comparaisons des potentiels de surface des ligands 1TGS/1D6R et 1TAW/2PTC montrent, pour ses deux ligands, des inversions de signe du potentiel (partie supérieure droite de la surface, surla figure IV-16). Des observations similaires peuvent être faites sur la figure IV-17, représentant les potentiels électrostatiques de surface des différents ligands du système « trypsine porcine ». Les potentiels de surface des régions interfaces sont très similaires, à l’exception notable de la structure du ligand du complexe 1Z7K. Dans d’autres cas, les régions distantes du site d’interaction montrent des potentiels de surface opposés (1TFX/1TX6, partie supérieure, figure IV-17). Dans le système « chymotrypsine », les structures 1CA0 et 1CHO présentent également des différences significatives dans la partie inférieure droite sur la figure IV-18, alors que les potentiels électrostatiques, dans les régions des ligands correspondant à l’interface avec la cible, sont similaires.

Figure IV-16 : Comparaison des potentiels électrostatiques des ligands du système « trypsine bovine ». Pour chaque ligand, le numéro de chaîne est indiqué entre parenthèses. La région de l’interface est encerclée en noir. Les potentiels sont représentés à la surface accessible au solvant des protéines (–5kBT/e, en rouge, à +5kBT/e, en bleu).

Figure IV-17 : Comparaison des potentiels électrostatiques des ligands du système « trypsine porcine ». Pour chaque ligand, le numéro de chaîne est indiqué entre parenthèses. La région de l’interface est encerclée en noir. Les potentiels sont représentés à la surface accessible au solvant des protéines (–5kBT/e, en rouge, à +5kBT/e, en bleu).

Figure IV-18 : Comparaison des potentiels électrostatiques des ligands du système « chymotrypsine bovine ». Pour chaque ligand, le numéro de chaîne est indiqué entre parenthèses. La région de l’interface est encerclée en noir. Les potentiels sont représentés à la surface accessible au solvant des protéines (–5kBT/e, en rouge, à +5kBT/e, en bleu).

Ces observations nous ont incité à comparer, de manière quantitative, les potentiels électrostatiques dans la région des ligands correspondant à l’interface avec la cible. Ceci peut être réalisé grâce aux indices de similarité de Hodgkin (SI) calculé sur un ensemble restreint de points englobant l’interface (annexe A.3). Les valeurs des indices de similarité, calculés sur ces grilles partielles, sont dénommées SI « part ». Les indices, calculés sur l’ensemble des points de la grille, permettant une comparaison dans toutes les directions de l’espace, sont appelés SI « all ». Les comparaisons, deux à deux, des grilles de potentiel électrostatique, calculées pour les ligands du système « trypsine bovine » et leur caractérisation par le calcul de l’indice de similarité de Hodgkin est reporté dans la figure IV-19.

Figure IV-19 : Histogramme de distribution des indices de similarité de Hodgkin calculés sur l’ensemble des points des grilles de potentiel électrostatique (SI « all », bleu clair) et sur un région restreinte des grilles englobant l’interface avec la cible (SI « part », bleu foncé) pour chaque ligand appartenant au système « trypsine bovine ». Les valeurs de SI s’échelonnent de -1 à +1 et sont présentées par intervalles de 0,1 unité.

L’histogramme de distribution de ces comparaisons permet de faire plusieurs observations. La distribution des indices calculés sur l’ensemble des points des grilles de potentiel est centrée sur une valeur supérieure à 0 (0,43±0,27), indiquant que les potentiels électrostatiques des ligands présentent, en moyenne, un caractère corrélé. Toutefois, cette distribution est très large et les extrema correspondent à des valeurs très éloignées (de -0,19 à +0,89). Il semble donc que la largeur de la distribution de ces valeurs reflète la dispersion des charges totales des différents ligands, soulignée précédemment. L’examen des indices de Hodkgin, calculés pour les différents ligands de ce système sur les régions restreintes des grilles de potentiel englobant l’interface avec la cible, suggère une distribution centrée sur une valeur plus élevée que les indices SI « all »

(0,62). De plus, la largeur de la distribution des SI « part » est plus faible que celle observée précédemment (0,20). Les extrema de la distribution des SI « part » indiquent également une plus faible dispersion des valeurs (de +0,2 à 1).

L’analyse de la distribution des indices de similarité pour les ligands du système « trypsine porcine », représentée sur la figure IV-20, permet de faire des observations similaires.

Figure IV-20 : Histogramme de distribution des indices de similarité de Hodgkin calculés sur l’ensemble des points des grilles de potentiel électrostatique (SI « all », bleu clair) et sur un région restreinte des grilles englobant l’interface avec la cible (SI « part », bleu foncé) pour chaque ligand appartenant au système « trypsine porcine ». Les valeurs de SI s’échelonnent de -1 à +1 et sont présentées par intervalles de 0,1 unité.

La figure IV-20 représente la distribution de SI, calculée pour les 36 comparaisons des potentiels électrostatiques des ligands du système « trypsine porcine ». La distribution des SI « all » s’avère très large (écart-type = 0,32) avec une moyenne de 0,15, proche de 0. De nombreuses valeurs négatives sont observées, indiquant des potentiels électrostatiques anti- corrélés et, de nombreuses valeurs positives indiquant des potentiels électrostatiques corrélés. Or, la distribution des SI « part » montre une valeur moyenne positive plus élevée par comparaison aux SI « all » (0,32), suggérant une corrélation plus importante des potentiels électrostatiques dans la région d’interaction avec la cible.

Les distributions des indices de Hodgkin, pour le système « chymotrypsine bovine », sont représentées sur la figure IV-21 :

Figure IV-21 : Histogramme de distribution des indices de similarité de Hodgkin calculés sur l’ensemble des points des grilles de potentiel électrostatique (SI « all », bleu clair) et sur un région restreinte des grilles englobant l’interface avec la cible (SI « part », bleu foncé) pour chaque ligand appartenant au système « chymotrypsine bovine ». Les valeurs de SI s’échelonnent de -1 à +1 et sont présentées par intervalles de 0,1 unité.

La distribution des SI « part » indique une corrélation plus forte des potentiels électrostatiques dans les régions des ligands correspondants à l’interface avec la cible. Il faut noter que les distributions des indices de Hodgkin (SI « all » et « part »), dans le cas des systèmes « trypsine porcine » et « chymotrypsine bovine », ne correspondent pas à une distribution unimodale. Ceci peut résulter de la taille réduite des échantillons analysés, des approximations réalisées au cours du calcul du potentiel électrostatique et du mode de sélection des points des grilles correspondants à la région d’interaction avec la cible. Dans le cas du système « chymotrypsine bovine », le caractère bimodale de la distribution est lié aux valeurs obtenues dans les comparaison de 2 parmi les 8 ligands : 1CAO et 1GL0. Les valeurs de SI, calculées par la comparaison de ces deux ligands, sont néanmoins proches : SI « all » = 0,50, SI « part » = 0,67. Cette dernière observation suggère l’existence de plusieurs formes de potentiels électrostatiques, compatibles avec l’association des ligands à une cible particulière. Cependant, une étude de ces similitudes sur un échantillon de complexes de taille plus importante, serait nécessaire pour valider cette hypothèse.

La comparaison des caractéristiques électrostatiques des trois séries de complexes permet de dégager plusieurs observations. Dans plusieurs cas, nous avons montré que les potentiels électrostatiques, de la région d’interaction avec la cible, sont fortement corrélés malgré une différence d’état de charge très importante des ligands dans la région d’interaction. Ainsi, l’indice de similarité (SI « part ») calculé pour le couple 2PTC/1TGS est de 0,63 pour une différence de charge nette globale de ces deux ligands est de 5. De même, les couples 1H9H/1EJA, 1H9H/1LDT, 1H9H/1TFX, 1EJA/1MCT et 1LDT/1MCT présentent des valeurs de SI « part », toutes supérieures à 0,6, pour des différences d’état de charge nette globale de 4. Le couple 1CBW/1CGI représente un exemple extrême de cette situation (SI « part » = 0,45 pour une différence d’état de charge globale de 7 et une différence d’état de charge de 4 dans la région d’interface). Ces différents cas constituent autant d’exemples de l’absence de corrélation entre charge globale et potentiel électrostatique. De plus, parmi les comparaisons des potentiels électrostatiques de différents ligands d’une même cible, effectuées dans le cadre de cette analyse, nous avons identifié plusieurs cas où deux ligands possédaient des potentiels électrostatiques anti-corrélés sur l’ensemble des directions de l’espace, alors qu’une corrélation était observée dans la région d’interaction avec la cible commune (entre parenthèse, les SI « all » sont à gauche, SI « parts » à droite) : 1D6R/1TGS (-0,11 ; 0,48), 1D6R/1G9I (0,19 ; 0,64), 1C9T/2PTC (0,06 ; 0,49), 1LDT/1TFX (0,00 ; 0,44), 1H9H/1TX6 (0,19 ; 0,54), 1EJA/1TX6 (- 0,49 ; 0,50), 1EJA/1LDT (0,05 ; 0,50), 1AVX/1TX6 (0,11 ; 0,52), 1ACB/1CGI (-0,17 ; 0,61). Par ailleurs, dans les trois systèmes considérés, les similarités des potentiels électrostatiques mises en évidence par la calcul des indices de Hodgkin sont, en moyenne, plus importantes dans la région d’interaction avec la cible que dans l’ensemble des directions de l’espace.

IV.2.3 Conclusion

L’étude de plusieurs aspects des propriétés électrostatiques des trois systèmes sélectionnés, permet de tirer des enseignements pour la sélection des plateformes dans le cadre du développement de ligands protéiques. Plusieurs ligands sont effectivement capables d’interagir avec une même cible, malgré des charges nettes globales très différentes (jusqu'à +7 dans les cas étudiés). La charge globale des protéines n’est donc pas un critère déterminant pour la capacité à lier une cible donnée. De plus, pour les trois systèmes, le nombre de charges nettes présentes à l’interface, compensées ou non, sont également susceptibles de varier de manière importante. Ce paramètre ne peut donc pas être retenu comme un critère d’évaluation de la capacité d’une protéine à interagir avec sa cible. En revanche, la comparaison quantitative des potentiels électrostatiques des différents ligands a montré que les potentiels de plusieurs ligands d’une même cible pouvaient s’avérer non corrélés voir anti-corrélés. Néanmoins, ces comparaisons ont montré que les potentiels à l’interface avec la cible commune étaient corrélés. Ce dernier indicateur, peut-être retenu comme un critère d’évaluation de la capacité d’une protéine à interagir avec la cible considérée. Il convient toutefois de souligner que ce critère doit être considéré comme un filtre qui permettra d’augmenter la probabilité d’identifier un ligand. Mais, l’étude réalisée ne permet pas de conclure de manière absolue sur la valeur de cet indice et sur la valeur seuil du SI « part » à considérer pour identifier un ligands. En considérant un seuil de similarité de potentiel électrostatique minimum, égal à 0,4 pour les trois systèmes analysés (« trypsine bovine », « trypsine porcine » et « chymotrypsine »), les valeurs de SI, à l’interface supérieures à ce seuil, représentent respectivement : 92%, 50% et 55%. Comparativement les valeurs de SI, calculées sur la totalité des grilles, supérieures à 0,4 représentent respectivement 66%, 30% et 32%.

IV.3 Analyse des interactions intermoléculaires ligands / cible