Comment mod´ eliser cette flexibilit´ e ?

La mod´elisation de la flexibilit´e peut ˆetre introduite avant, apr`es ou pendant la phase de docking.

Fig. 2.2 – Repr´esentation du virus satellite de la mosa¨ıque du tabac (Capside + ARN) simul´e en solvant explicite. Figure issue de (Freddolino et al., 2006)

Avant la phase de docking, pour g´en´erer un ensemble de structures : Il s’agit le plus souvent de g´en´erer un ensemble de conform`eres afin de simuler la flexibilit´e de la prot´eine. Cet ensemble est ensuite utilis´e pour r´ealiser un amarrage crois´e. Ceci consiste, pour deux prot´eines partenaires P1 et P2, `a amarrer chaque structure de l’ensemble des conform`eres de P1 avec chaque structure de l’ensemble des conform`eres de P₂.

L’ensemble de conform`eres est en g´en´eral obtenu grˆace aux techniques utilis´ees pour l’ana-lyse de la flexibilit´e. Ainsi, Mustard et Ritchie ont utilis´e les vecteurs propres (eigen vectors) issus de simulations de dynamiques essentielles<sup>13</sup> pour une ´etude a posteriori des cibles 11 `a 14 du challenge CAPRI. Ils ont montr´e que l’utilisation pour le docking rigide des structures g´en´er´ees `a partir des premiers vecteurs propres permettait d’obtenir de meilleures pr´edictions (Mustard et Ritchie, 2005). Il est aussi possible d’utiliser la dynamique mol´eculaire pour g´en´ e-rer l’ensemble des conform`eres (Gr¨unberg et al., 2004; Kr´ol et al., 2007b). Cette m´ethode ne semble n´eanmoins r´eellement int´eressante que dans le cas o`u les prot´eines partenaires subissent d’importants changements conformationnels durant l’association (Kr´ol et al., 2007a). De plus, cette technique peut engendrer des solutions ´eloign´ees de la structure native mais pourtant bien class´ees par les fonctions de score (Smith et al., 2005a).

Comme elle oblige `a amarrer de fa¸con exhaustive la totalit´e des conform`eres de chaque ensemble, cette technique reste n´eanmoins coˆuteuse en temps de calculs.

Pendant la phase de docking, pour guider l’assemblage : Durant cette ´etape, la surface prot´eique peut ˆetre approxim´ee pour ne pas trop contraindre les programmes de docking. La

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recherche peut ˆetre ´egalement guid´ee par des donn´ees recueillies lors de la phase d’analyse de la flexibilit´e.

Traitement implicite de la flexibilit´e : Comme nous l’avons vu pr´ec´edemment, de nombreux programmes de docking repr´esentent la structure des partenaires sur une grille. Dans ce cas, il est possible de mod´eliser la flexibilit´e des prot´eines en autorisant un certain degr´e d’interp´en´etration entre le r´ecepteur et le ligand (Vakser, 1995; Vakser et al., 1999). On parle alors de docking adouci ou Soft docking (Jiang et Kim, 1991). Cette technique est l’un des fondements du programme BiGGER (Palma et al., 2000).

Il est aussi possible de repr´esenter la prot´eine de fa¸con simplifi´ee par une surface liss´ee. Ceci a ´et´e impl´ement´e dans le programme HEX (Ritchie et Kemp, 1999) et a ´et´e test´e pour des r´esolutions tr`es basses (Sumikoshi et al., 2005).

Une autre m´ethode consiste `a simplifier la repr´esentation des r´esidus de surface. Par exemple, Heifetz et Eisenstein ont “taill´e” (trimming) les chaˆınes lat´erales de r´esidus tr`es flexibles comme l’arginine ou la lysine (Heifetz et Eisenstein, 2003). Il existe aussi des repr´esentations “gros grains” (coarse grain) des chaˆınes lat´erales (Levitt et Warshel, 1975; Wodak et Janin, 1978). Dans ce cas, elles ne sont plus repr´esent´ees que par un (Gray et al., 2003; Li et al., 2003b) ou deux pseudo-atomes (Li et al., 2003a; Zacharias, 2003).

Traitement explicite de la flexibilit´e : Pendant la phase d’assemblage, il est possible de mod´eliser les r´egions charni`eres (hinge). Ces r´egions constituent des zones peu structur´ees entre deux parties plus organis´ees (comme les feuillets-β ou les h´elices-α). De plus, ces r´egions subissent en g´en´eral de forts changements conformationnels et entraˆınent des mouvements de grande amplitude au niveau des parties plus structur´ees (en g´en´eral des domaines). Le pro-gramme FlexDock mod´elise la flexibilit´e de ces r´egions `a condition que l’utilisateur d´efinisse lui-mˆeme les positions charni`eres (Schneidman-Duhovny et al., 2005a). Emekli et al. ont am´ e-lior´e cette m´ethode avec l’algorithme HingeProt. Celui-ci identifie, `a partir d’une structure, les zones charni`eres ainsi que leurs mouvements mod´elis´es grˆace aux modes normaux (Emekli et al., 2008).

Il est aussi possible de mod´eliser des boucles. Il s’agit l`a encore de r´egions d´esorganis´ees mais, `

a l’inverse des r´egions charni`eres, elles n’entraˆınent pas de mouvements de grande amplitude. Pour mod´eliser la flexibilit´e de ces boucles, il est possible de les repr´esenter par un ensemble de conformations (Zacharias, 2003). Contrairement aux techniques d’amarrage de l’ensemble des structures des partenaires, cette m´ethode se limite `a refaire l’amarrage de la boucle flexible et non de la totalit´e de la prot´eine. Les ensembles de conformations des boucles peuvent ˆetre obtenus par multi-copie (Bastard et al., 2006).

Apr`es la phase de docking, pour raffiner les r´esultats : Au niveau de la derni`ere ´etape du docking, correspondant `a la phase de raffinage, la majorit´e des programmes introduisent un certain degr´e de flexibilit´e. Cette derni`ere peut ˆetre appliqu´ees au niveau des chaˆınes lat´erales et du squelette prot´eique.

Flexibilit´e des chaˆınes lat´erales : Introduire de la flexibilit´e au niveau des chaˆınes lat´erales permet, en g´en´eral, d’optimiser les conformations de celles-ci `a l’interface. Pour cela, il est possible d’utiliser des biblioth`eques de rotam`eres. Celles-ci sont obtenues par des analyses statistiques des structures des prot´eines. Ces biblioth`eques permettent d’obtenir des informations sur les angles de rotation des chaˆınes lat´erales en fonction de la conformation du squelette prot´eique (Dunbrack et Karplus, 1993). Wang et al. ont utilis´e cette m´ethode coupl´ee `a une minimisation des rotam`eres. Celle-ci, appliqu´ee dans le cadre du challenge CAPRI, a prouv´e son efficacit´e (Wang et al., 2005).

Une autre solution est d’utiliser des simulations courtes de Monte-Carlo. Cette m´ethode, appliqu´ee `a la chaˆıne lat´erale du ligand et guid´ee par un param`etre d’´energie (Abagyan et Totrov, 1994), a ´et´e impl´ement´ee dans le programme ICM-Disco (Fern´andez-Recio et al., 2003). Enfin, il est aussi possible de conduire des simulations courtes de dynamique mol´eculaire afin d’optimiser les positions des chaˆınes lat´erales (Camacho, 2005).

Flexibilit´e du squelette prot´eique et des chaˆınes lat´erales : Durant cette derni`ere phase, mod´eliser la flexibilit´e du squelette prot´eique seul n’aurait pas un grand int´erˆet puisque ce changement conformationnel entraˆınerait en mˆeme temps le d´eplacement des chaˆınes lat´erales. Il faut donc relaxer l’ensemble du syst`eme squelette + chaˆınes lat´erales.

La m´ethode la plus utilis´ee dans ce cas est la dynamique mol´eculaire. Cette technique de raffinage a ´et´e utilis´ee par le groupe de Paul Bates (Kr´ol et al., 2007b). Elle fait aussi partie du protocole du programme HADDOCK combin´ee `a la m´ethode de recuit simul´e qui consiste en une augmentation de la temp´erature pour passer les barri`eres ´energ´etiques (Dominguez et al., 2003).

En conclusion, les programmes de docking comme ICM-Disco, HADDOCK ou RosettaDock ont obtenu de tr`es bons r´esultats au challenge CAPRI (voir tableau 1.8). La mod´elisation de la flexibilit´e des chaˆınes lat´erales et du squelette prot´eique par ces programmes peut expliquer, en partie, de tels r´esultats. Pour plus de d´etails sur l’analyse et la mod´elisation de la flexibilit´e, nous avons recens´e 4 publications de synth`ese sur le sujet : Segal et Eisenstein (2005); Bonvin (2006); Andrusier et al. (2008); Ritchie (2008).

Nous avons vu que la dynamique mol´eculaire ´etait un outil particuli`erement utilis´e pour mod´eliser la flexibilit´e des prot´eines. Nous allons maintenant expliquer cette technique plus en d´etails.