Le “scoring”

Les résultats du docking consiste le plus souvent en différentes poses du ligand dans le site d’interaction, correspondant à plusieurs conformations favorables que le ligand peut adopter. Les méthodes de “scoring” permettent d’évaluer l’énergie de liaison du complexe formé et de donner un score aux poses obtenues lors de la phase de docking. Ce score permettra d’une part de retenir la meilleure pose parmi toutes celles proposées, mais également de classer la meilleure pose de différents ligands pour identifier les meilleurs d’entre eux.

En général, elle est estimée par l’évaluation des contributions entropiques et enthalpiques à la stabilité du complexe. Ainsi, on calcule séparément l’énergie libre de chaque soluté et du complexe avant d’en faire la différence pour calculer l’énergie libre de liaison (cf équation 2).

Dans les programmes de docking, on trouve différents types de fonction de score : celles utilisant un champ de force de mécanique moléculaire, celles reposant sur les connaissances actuelles et les méthodes empiriques.

Les champs de force : La fonction de score utilise les paramètres du champ de force pour évaluer la contribution enthalpique ∆H à l’énergie libre de liaison et les effets entropiques sont calculés séparément pour le solvant (∆Gsolvant) et les deux solutés en

Les champs de force sont représentés généralement par des équations de la forme : EM M = X liaisons Kr(r − req)2+ X angles Kθ(θ − θeq)2+ X diedres Vn 2 × (1 + cos(nφ − γ)) 2 +X i<j Aij R12_ij − Bij R_ij6 + qiqj εRij ! (9)

Les trois premiers termes permettent de contrôler les écarts par rapport aux valeurs optimales de longueurs (r) et d’angles (θ et φ) des liaisons. Les contributions enthalpiques à l’énergie libre de liaison sont estimées entre les atomes du ligands et ceux du récepteur par le potentiel de Lennard-Jones, qui permet d’estimer les interactions de Van der Waals dans le système, et l’équation de Coulomb qui détermine la force des interactions entre deux charges. Le dernier terme de cette équation permet de calculer les interactions protéine-ligand par la sommation des énergies de Van der Waals et des énergies électrostatiques sous la forme du potentiel de Lennard-Jones et du potentiel de Coulomb dont le paramètre de la constante diélectrique ε peut être fonction de la distance R entre les centres des atomes (option du programme DOCK). A et B sont fonction du type d’atomes dont on considère l’interaction et q est la charge partielle associée à chaque atome. Ces champs de force ne tiennent pas compte des effets de polarisabilité.

L’énergie libre de solvatation ∆Gsolvant est calculée en deux termes :

– Le terme apolaire rend compte de l’énergie d’interaction de Van der Waals entre solvant et soluté. Le potentiel de Lennard-Jones utilisé peut être stan- dard ou atténué, en fonction de la "dureté" voulue pour les contacts ligand- récepteur. Le terme répulsif dans la version atténuée sera plus tolérante. La différence entre l’énergie libre de solvatation du complexe et celle de ses com- posantes est souvent favorable et intervient dans la stabilité du complexe. – Le terme polaire représente la différence d’énergie électrostatique du soluté

entre l’état libre et l’état lié. L’état lié est simulé par un solvant à haute constante diélectrique (c’est-à-dire hautement polarisable), alors que l’état libre correspond à un solvant à faible constante diélectrique. On utilise alors une représentation continue du solvant, résolue par l’équation de Poisson- Bolzmann [187] (ICM [188]) ou par la méthode de Born généralisée [189] (DOCK [190]). Cependant, ces termes sont difficiles à modéliser et, à part ICM et DOCK, ils ne sont pas souvent pris en compte du fait du temps de calcul nécessaire.

L’effet de la solvatation permet de savoir si le complexe sera stable, mais les interac- tions spécifiques qui peuvent s’établir grâce aux molécules d’eau ne sont pas prises en considération.

L’entropie du soluté consiste en quatre termes calculés séparément et corres- pondant aux énergies de translation, rotation, vibration et conformation des molécules. L’énergie interne du ligand est parfois calculée, et permet de savoir si les contraintes stériques sur la molécule dues à sa liaison au récepteur sont acceptables. Elle est calcu- lée de la même façon que l’énergie d’interaction avec contributions électrostatique et de Van der Waals.

Les fonctions de score de DOCK et d’AutoDock utilisent les paramètres du champ de force AMBER, G-score ceux du champ de force de Tripos.

Les fonctions de score "knowledge-based" : Ces fonctions de score sont issues des observations des complexes récepteur-ligand résolus par des méthodes structurales, plus précisément des distances entre paires d’atomes. Ces fonctions de score favorisent les poses du ligand qui se rapprochent de ces observations [191]. L’énergie libre d’in- teraction d’une paire d’atomes dans le complexe récepteur(atome i)-ligand(atome j) est représentée par l’équation suivante :

Aij(r) = −kbT ln  f_{CorrectionV olume}j (r) ×ρ ij seg(r) ρij_bulk 

avec kbconstante de Bolzmann et r distance entre les atomes i et j. Le quotient représente

la densité de distance entre des paires d’atomes de même type que i et j quand ils interagissent (ρij

seg) par rapport à quand ils n’interagissent pas (ρij_bulk). La sommation

de ces énergies d’interaction élémentaires sur l’ensemble des paires d’atomes ligand- récepteur permet de calculer le score PMF (Potentials of Mean Force). Ces potentiels de force moyenne ont été principalement utilisés pour le calcul de repliement des protéines, mais leur utilité pour le docking protéine-ligand est aussi reconnue [192,193].

Les fonctions empiriques : Ces fonctions calculent directement l’affinité en utilisant des termes représentant l’interaction (contacts hydrophobes, interactions polaires), pon- dérés par des paramètres statistiques obtenus à partir de complexes dont la structure et l’énergie de liaison ont été déterminées expérimentalement. La première fonction de score de ce type est LUDI, obtenue à partir de 45 complexes protéine-ligand [194]. Le terme hydrophobe peut être évalué en tenant compte des surfaces de contact hydrophobe (c’est le cas de LUDI) ou des interactions entre paires d’atomes (exemple : Chemscore [195]). F-score contient un terme pour les contacts aromatiques [176]. D’autres fonctions empi- riques existent (PLP [196], X-CSCORE [197]), certaines sont plus avancées (Fresno [198],

LigScore [199]) puisqu’elles tiennent compte dans une certaine mesure des phénomènes de solvatation/désolvatation. Plusieurs de ces fonctions combinent une approche em- pirique avec l’approche basée sur la physique théorique pour les énergies de Van der Waals notamment.

Il existe des méthodes plus précises pour évaluer l’énergie libre de liaison, comme la perturbation de l’énergie libre ou l’intégration thermodynamique, mais celles-ci sont trop gourmandes en temps de calcul pour être utilisées dans le criblage de banques de molécules.