Chapitre III : Conception de ligands protéiques
IV.2 Analyse des interfaces ligand-cible
IV.2.1 Propriétés globales des interfaces
IV.2.1-A Surface d’interaction
La taille des interfaces peut être caractérisée par le nombre de résidus présents à l’interface mais, également, par la variation de surface accessible au solvant des protéines du complexe entre l’état libre et l’état lié. Les résultats sont indiqués pour les trois systèmes dans le tableau IV-10.
Pour le système « trypsine bovine », le nombre de résidu des ligands présents à l’interface avec la cible varie de 10 à 18 pour une moyenne, sur les différents complexes de ce système, de 14,0±2,0 résidus. Dans le cas du système « trypsine porcine », le nombre de résidus des ligands, impliqués dans l’interface, varie de 8 à 27 avec une moyenne de 17,9±5,5. Enfin, concernant les ligands du système « chymotrypsine bovine », le nombre de résidus du ligand impliqué dans l’interface avec la cible est de 18,4±5,5. Dans ces deux derniers cas, la moyenne et l’écart-type sont donc plus élevées comparativement au système « trypsine bovine ». Cependant, les fluctuations du nombre total de résidus du ligand sont très supérieures à celles du nombre de résidus du ligands, présents à l’interface ; cette observation est illustré par la figure IV-11.
« Trypsine Bovine » 1C9T 1D6R 1G9I 1OX1 1SFI 1TAW 1TGS 2BTC 2PTC
Nb résidus ligand à l’interface 15 15 14 10 12 12 18 16 14
aire interface totale (en Å2)
1659 1590 1543 1288 1579 1375 1895 1799 1548 aire interface (ligand) (en Å2)
954 900 903 797 878 815 1077 1005 891 « Trypsine porcine » 1AVX 1EJA 1H9H 1LDT 1MCT 1TFX 1TX6 1UHB 1Z7K
Nb résidus ligand à l’interface 22 21 16 15 16 15 27 8 21
aire interface totale (en Å2)
1818 1925 1619 1509 1631 1434 2271 1183 1904 aire interface (ligand) (en Å2)
1034 1101 961 887 971 854 1272 784 1089
« Chymotrypsine bovine » 1ACB 1CA0 1CBW 1CGI 1CHO 1GL0 1GL1 1N8O
Nb résidus ligand à l’interface 18 13 14 20 16 21 22 23
aire interface totale (en Å2)
1612 1344 1514 2157 1595 1974 1825 1792 aire interface (ligand) (en Å2)
896 772 885 1205 914 1113 1025 1009
Tableau IV-10 : Taille des interfaces ligand-cible caractérisées par le nombre de résidus du ligand présent à l’interface et la variation de surface accessible au solvant des deux partenaires ou du ligand seul.
Figure IV-11 : Nombre de résidus des ligands impliqués dans l’interface avec la cible et nombre total de résidus des ligands pour les trois systèmes considérés.
Une observation similaire peut-être faite en considérant les moyennes et fluctuations de la variation de surface accessible au solvant ou de la fraction de celle-ci impliquant des résidus du ligand (tableau IV-10). Les résultats indiquent que, pour les systèmes « trypsine bovine », « trypsine porcine » et « chymotrypsine bovine », les variations totales de surface accessible au solvant sont respectivement 1586±188, 1699±319 et 1726±262 Å2. Pour ces mêmes systèmes, les
et 977±138 Å2. Les fluctuations de ces deux paramètres sont inférieures à 20 %, autour de la valeur moyenne, pour des tailles des ligands comprises entre 9 et 181 résidus. Les fluctuations de taille d’interface sont donc plus faibles que les fluctuations du nombre de résidus à l’interface, décrit précédemment, reflètant en partie, la dispersion des tailles des résidus. Il n’y a donc pas de corrélation entre l’aire de l’interface et la taille des ligands en interaction. Cette observation rejoint les observations faites sur des complexes protéine-protéine, sélectionnés indépendamment ou non de leur type ou de la fonction des protéines impliquées [52, 131, 132, 133, 134, 139].
IV.2.1-B Complémentarité de structure
La complémentarité de surface est une caractéristique particulièrement importante des interactions protéine-protéine. En effet, une complémentarité importante des surfaces des deux partenaires en présence aura pour conséquence de favoriser l’établissement d’interactions intermoléculaires, dépendantes de la distance entre les groupements impliqués (interactions de van der Waals, liaisons hydrogène, ponts salins) [140, 142]. En revanche, une conséquence de la faible complémentarité de surface entre les partenaires sera une présence accrue de molécules d’eau, piégées à l’interface lors du processus d’association. Ce phénomène, d’autant plus probable que la complémentarité de surface est faible, apporte une contribution entropique défavorable à la liaison.
La complémentarité de l’interface peut être estimée par le calcul volume non occupé entre les partenaires à l’état lié. Cependant, ce volume doit être ramené à l’aire de l’interface, définissant ainsi le « gap index » (chapitre II). Les valeurs de « gap index », calculées pour les différents complexes sont reportées dans le tableau IV-12.
Tryp. Bovine 1C9T 1D6R 1G9I 1OX1 1SFI 1TAW 1TGS 2BTC 2PTC µ σ Gap Index (Å) 1.73 1.69 1,81 1,66 1.76 1,76 1,81 1,86 2.14 1,80 0,14 Tryp. Porcine 1AVX 1EJA 1H9H 1LDT 1MCT 1TFX 1TX6 1UHB 1Z7K µ σ Gap Index (Å) 2.14 1.81 1.81 2.01 1.75 1.82 2.27 1,66 1,74 1,90 0,20
Chym. Bovine 1ACB 1CA0 1CBW 1CGI 1CHO 1GL0 1GL1 1N8O µ σ
Gap Index (Å) 1,82 1,88 2.11 1.92 1,75 1,77 1.75 2.01 1,88 0,13 Tableau IV-12 : Valeurs de « gap index », calculées pour les différents complexes des trois systèmes étudiés. La moyenne est indiquée par µ, l’écart-type par σ.
[139]. Les valeurs de « gap index » obtenues sont très homogènes, quel que soit le système considéré : 1,80±0,14 Å, 1,90±0,20 Å et 1,88±0,13 Å. Ces valeurs indiquent que, dans les différents complexes, les surfaces des partenaires en interaction sont très complémentaires, témoignant d’une grande compacité de l’interface. De plus, la faible dispersion des valeurs de « gap index », observée au sein de chaque système, montre une grande homogénéité de cette propriété parmi les différents complexes. Toutefois, les valeurs de « gap index » calculées pour les trois systèmes sélectionnés sont plus faibles que celles reportées pour une série de ligands enzyme-inhibiteur, publiées dans une étude antérieure [139], dans laquelle figurent certains des complexes utilisés dans le cadre de notre étude. Cette différence (de l’ordre de 20 %) peut être due, en partie, au fait que nous n’utilisons pas le même algorithme pour calculer cet indice. Cependant ce travail nous permet d’analyser, sur notre base de données, les fluctuations de la compacité de l’interface et de calibrer cet outil, pour son application, dans le cadre de notre approche de conception de ligands protéiques.
IV.2.1-C Composition chimique de l’interface
La nature chimique de l’interface dans les différents complexes a été analysée. Une première indication de la nature chimique de l’interface peut être obtenue en déterminant le nombre de résidus de type non polaires, polaires neutres et polaires chargés à l’interface. Les fractions correspondant à ces trois classes sont reportées dans le tableau IV-13.
« Trypsine bovine » 1C9T 1D6R 1G9I 1OX1 1SFI 1TAW 1TGS 2BTC 2PTC
Nb Res Non-Polaires 9 7 8 5 7 9 9 13 9
Nb Res Polaires Neutres 2 6 4 4 3 3 6 0 1
Nb Res Polaires Chargés 4 2 2 1 2 1 3 3 4
« Trypsine porcine » 1AVX 1EJA 1H9H 1LDT 1MCT 1TFX 1TX6 1UHB 1Z7K
Nb Res Non-Polaires 11 12 12 10 12 11 16 3 10
Nb Res Polaires Neutres 2 4 2 0 0 1 5 2 6
Nb Res Polaires Chargés 9 5 2 5 4 3 6 3 5
« Chymotrypsine bovine » 1ACB 1CA0 1CBW 1CGI 1CHO 1GL0 1GL1 1N8O
Nb Res Non-Polaires 12 10 10 11 9 11 11 13
Nb Res Polaires Neutres 2 2 1 4 4 8 6 4
Nb Res Polaires Chargés 4 1 3 5 3 2 5 6
Tableau IV-13 : Composition en résidus des interfaces des ligands dans les complexes des trois systèmes étudiés (résidus non-polaires : A, C, G, I, L, M, P, V, F, H, Y, W ; résidus polaires neutres : N, Q, S, T ; résidus polaires chargés : K, R, D, E).
Les valeurs calculées indiquent, pour ces trois catégories de résidus, qu’il existe au sein de chaque famille une importante variabilité. Ainsi, le nombre de résidus polaires neutres varient de 0 à 6 pour les ligands des systèmes « trypsine bovine » et « trypsine porcine », tandis qu’il varie de 1 à 8 pour les ligands du système chymotrypsine. Une amplitude de variation similaire est observée pour les résidus de type polaire chargé. Bien que le nombre de résidus non polaires du ligand, présents à l’interface avec la cible, puisse donner une indication de l’hydrophobicité de l’interface, il a été proposé d’évaluer celle-ci en calculant la fraction de l’aire de l’interface impliquant des atomes du ligand appartenant à des groupements aliphatiques et ce, quel que soit le résidu auquel appartient ce groupe [52]. Ces fractions ont été calculées pour les ligands des complexes des trois systèmes et sont reportées dans le tableau IV-14.
« Trypsine bovine » 1C9T 1D6R 1G9I 1OX1 1SFI 1TAW 1TGS 2BTC 2PTC % résidus non-polaires
à l’interface 39 31 34 35 35 32 46.5 57 39
« Trypsine porcine » 1AVX 1EJA 1H9H 1LDT 1MCT 1TFX 1TX6 1UHB 1Z7K % résidus non-polaires
à l’interface 40 39 41 58 40 46 39 17 43
« Chymotrypsine bovine » 1ACB 1CA0 1CBW 1CGI 1CHO 1GL0 1GL1 1N8O % résidus non-polaires
à l’interface 54 33 38 50 49 45 48 38
Tableau IV-14 : Analyse de la fraction apolaire de l’interface, en % de la surface (coté ligand). Les valeurs inférieures sont indiquées en bleu, les valeurs supérieures en rouge.
La fraction hydrophobe des résidus du ligand présents à l’interface est en moyenne de 38±8%, 40±1% et 44±7% pour les systèmes « trypsine bovine », « trypsine porcine » et « chymotrypsine bovine » respectivement. Seul le ligand du complexe 1UHB, du système « trypsine porcine », présente une fraction d’interface hydrophobe significativement inférieure à ces valeurs (17%). Cependant, la dispersion, autour des valeurs moyennes des fractions de surface hydrophobes des ligands ainsi calculées, est beaucoup plus faible que la dispersion du nombre de résidu appartenant à la classe non polaire.