Conclusion g´ en´ erale

Chapitre 7

Conclusion g´ en´ erale

L’´evolution a sans doute quelque peu facilit´e la tˆache aux scientifiques en concevant des prot´eines qui, pour la plupart, se reploient en une structure tertiaire unique correspondant au minimum global d’´energie libre (situ´e au fond d’un paysage ´energ´etique en forme d’entonnoir), et sont fort tol´erantes envers les mutations de leur s´equences.

L’´elucidation des m´ecanismes qui lient la s´equence d’une prot´eine `a sa structure tri- dimensionnelle et `a sa fonction biologique reste pourtant un probl`eme complexe dont la solution ultime est encore fort ´eloign´ee, malgr´e les multitudes de travaux d´evou´es `a cette question.

Un aspect crucial du d´eveloppement de m´ethodes destin´ees `a l’´etude in silico des prot´eines concerne la mise au point de fonctions ´energ´etiques permettant d’´evaluer l’ad´equation entre une s´equence et une structure donn´ees. Ces fonctions doivent ˆetre suf- fisamment pr´ecises pour reproduire la d´elicate balance entre d’importantes contributions enthalpiques (r´esultant des nombreuses interactions non-covalentes ´etablies et bris´ees lors du reploiement ou de structurations alternatives) et entropiques (li´ees au nombre consid´erable de conformations accessibles aux prot´eines ainsi qu’`a l’organisation des mol´ecules d’eau avoisinantes). Elle doivent ´egalement ˆetre suffisamment simplifi´ees pour permettre la r´ealisation de simulations et/ou de pr´edictions en un temps raisonnable.

Malgr´e qu’ils ne constituent certainement pas une r´eponse parfaite `a ces deux exigences contradictoires, les potentiels statistiques, d´eriv´es des fr´equences d’observation de petits ´el´ements de s´equence et de structure dans des bases de donn´ees de structures prot´eiques, ont prouv´e leur efficacit´e dans de nombreuses applications li´ees `a l’´etude in silico des prot´eines. Au cours du Chapitre 2, nous avons cherch´e `a clarifier les fondements th´eoriques de la d´erivation de ces potentiels et `a mettre en ´evidence les limitations r´esultant des diverses hypoth`eses qui doivent ˆetre pos´ees. Nous avons vu que la nature de ces hypoth`eses et de leurs impacts sur les fonctions ´energ´etiques mises au point est parfois assez floue. Il est donc crucial d’approfondir ces aspects de la d´erivation des potentiels de force moyenne, afin d’apporter quelques r´eponses aux questions l´egitimes qui peuvent se poser quant `a leur signification physique, mais aussi d’am´eliorer les performances obtenues avec de tels potentiels.

C’est dans cet ´etat d’esprit que nous avons abord´e, au Chapitre 3, l’analyse de l’influence de la taille des prot´eines incluses dans la base de donn´ees sur les potentiels qui en sont d´eriv´es. Plusieurs travaux ant´erieurs ont ´evoqu´e ce sujet, mais leurs conclusions sont fort contradictoires. Nous avons profit´e de l’augmentation du nombre de structures prot´eiques disponibles pour entreprendre une ´etude plus d´etaill´ee de ce probl`eme. En

214

Développement de potentiels statistiques pour l'étude in silico de protéines et analyse de

structurations alternatives. Dehouck Yves. Mai 2005.

CHAPITRE 7. CONCLUSION G ´ EN ´ ERALE 215

pratique, nous avons d´efini six bases de donn´ees comprenant des prot´eines de tailles diff´erentes et d´eriv´e un potentiel de distance `a partir de chacune d’entre elles. Ceci nous a permis de mettre en ´evidence une d´ependance g´en´erale des potentiels en la taille des prot´eines qui, en moyenne, consiste en une diminution des valeurs absolues des ´energies calcul´ees lorsque la taille de prot´eines augmente. Outre cette d´ependance g´en´erale, il est apparu que l’influence de la taille des prot´eines se fait ´egalement sentir de mani`ere sp´ecifique `a chaque paire d’acides amin´es. La r´epartition inhomog`ene des r´esidus hydrophobes et hydrophiles entre le coeur et la surface des prot´eines, et le fait que le rapport surface/volume est plus faible dans de grandes prot´eines, semblent avoir une importance pr´edominante `a ce niveau. Nous avons ´egalement ´etudi´e le comportement

`a longue distance des potentiels de distance en fonction de la taille des prot´eines dont ils sont d´eriv´es, et mis en ´evidence un accord qualitatif assez remarquable avec des travaux th´eoriques ant´erieurs concernant les potentiels de force moyenne dans le cadre de syst`emes nettement plus simples que les prot´eines. Bien que cet accord n’ait a priori pas d’implications pratiques majeures, il renforce n´eanmoins la confiance que l’on peut avoir dans l’adaptation du formalisme issu de syst`emes simples au cas des prot´eines.

Finalement, sur la base de ces divers r´esultats, nous avons d´efini des fonctions correctives qui permettent de prendre en compte la taille des prot´eines lors de la d´erivation des potentiels, et montr´e que l’utilisation de ces fonctions correctives r´esulte en une am´elioration notable de leur pouvoir pr´edictif.

Le Chapitre 4 d´ecrit la mise au point d’une proc´edure g´en´erale de d´erivation de fonctions ´energ´etiques statistiques bas´ees simultan´ement sur plusieurs descripteurs conformationnels. Cette proc´edure repose sur la d´ecomposition de la fonction ´energ´etique en une somme de potentiels de base et de termes de couplage. L’avantage de notre d´emarche est double. D’une part, la prise en compte simultan´ee de plusieurs descripteurs conformationnels permet de g´erer efficacement l’interd´ependance de ces diff´erents aspects d’une mˆeme structure, et de disposer de potentiels plus sp´ecifiques, qui tiennent compte des diff´erences d’environnement que peut ressentir un r´esidu particulier (selon qu’il soit localis´e en surface ou dans le coeur de la prot´eine, dans une h´elice α ou un feuillet β, . . .). D’autre part, le probl`eme de la taille limit´ee de la base de donn´ees, qui empˆeche le calcul d’´energies effectives repr´esentatives pour toutes les combinaisons possibles des descripteurs de s´equence et de structure, est r´esolu grˆace `a la d´ecomposition en potentiels de base et en termes de couplage et `a l’application d’une correction individuelle sur chacun de ces termes. En cons´equence, lorsque le nombre d’observations dans la base de donn´ees est suffisant, la fonction ´energ´etique prend en compte les couplages entre les diff´erents descripteurs. Si ce n’est pas le cas, elle se limite automatiquement aux contributions plus basiques. La fonction ´energ´etique que nous avons mise au point tient compte des corr´elations existant entre la nature, la conformation et l’accessibilit´e au solvant des r´esidus, en fonction de leur s´eparation dans l’espace et dans la s´equence. Nous avons montr´e, `a l’aide de plusieurs mesures relev´ees dans diff´erents ensembles de leurres, que les performances obtenues sont nettement sup´erieures `a celles des potentiels basiques commun´ement utilis´es ainsi qu’`a celles d’autres potentiels d´ecrits dans la litt´erature (`a un niveau de d´etail ´equivalent du point de vue de la repr´esentation des structures).

Nos travaux sur l’influence de la taille des prot´eines et sur la mise au point de termes

de couplage devrait permettre d’am´eliorer sensiblement les performances de programmes

destin´es `a l’´etude in silico des prot´eines, tels que Fugue ou PoPMuSiC (Annexes C et

CHAPITRE 7. CONCLUSION G ´ EN ´ ERALE 216

D). Plusieurs voies susceptibles de mener `a l’´elaboration de potentiels de force moyenne pr´esentant un pouvoir pr´edictif encore meilleur subsistent n´eanmoins. Ainsi une ´etude approfondie de la pertinence du choix d’un ´etat de r´ef´erence ou d’un autre, ou de l’impact de l’hypoth`ese selon laquelle les petits ´el´ements de s´equence et de structure suivent une distribution de Boltzmann au sein des prot´eines, sont des exemples de travaux qui devraient permettre une meilleure compr´ehension des potentiels de force moyenne d´eriv´es dans le cadre des prot´eines. D’un point de vue plus pratique, l’adaptation de la proc´edure d´ecrite au Chapitre 4 `a une repr´esentation plus d´etaill´ee (au niveau atomique par exemple) des prot´eines induirait probablement une am´elioration des performances, au prix d’un besoin plus important en temps de calcul.

Le d´ecryptage des liens qui unissent les s´equences des prot´eines `a leurs structures tridimensionnelles a gagn´e `a la fois en int´erˆet et en complexit´e lorsqu’il s’est av´er´e que de multiples prot´eines peuvent faire preuve d’une grande plasticit´e conformationnelle, que ce soit dans le cadre de leur activit´e biologique normale ou dans des conditions menant au d´eveloppement de maladies. En parall`ele aux travaux concernant les potentiels de force moyenne, nous nous sommes ´egalement int´eress´es `a l’´etude de telles prot´eines, sujettes `a des r´earrangements structuraux.

En particulier, il a ´et´e observ´e que plusieurs prot´eines existant sous forme mo- nom´erique peuvent ´egalement adopter un ´etat oligom´erique caract´eris´e par l’´echange d’un mˆeme ´el´ement structural entre monom`eres identiques. Ce ph´enom`ene affecte des prot´eines de s´equences et structures tr`es diverses, et joue probablement un rˆole important au niveau de l’´evolution, de la r´egulation de l’activit´e biologique des prot´eines, et du d´eveloppement de certaines maladies. Afin de mieux cerner ce processus encore mal compris, nous avons tent´e de mettre en ´evidence des r´egions prot´eiques particuli`eres qui pourraient revˆetir une importance cruciale lors de la transition entre monom`eres et oligom`eres. L’application de deux programmes bas´es sur des potentiels de force moyenne (Fugue et PoPMuSiC, voir Annexes C et D) `a un ensemble de prot´eines affect´ees par la permutation de domaines nous a permis d’y d´etecter des (( faiblesses structurales )) , c’est-`a-dire des r´egions qui semblent ne pas ˆetre optimales vis-`a-vis de la stabilit´e ou des m´ecanismes de reploiement de la prot´eine. Les r´esultats pr´esent´es au Chapitre 5 montrent que la plupart de ces faiblesses sont localis´ees dans des r´egions critiques par rapport `a la permutation de domaines, notamment au niveau de la boucle charni`ere, et qu’elles pourraient jouer un rˆole important dans ce processus : en d´estabilisant une conformation par rapport `a l’autre, en diminuant la barri`ere ´energ´etique qui s´epare les deux ´etats et en acc´el´erant ainsi leur interconversion, ou encore en ralentissant le reploiement et en facilitant ainsi la cr´eation de contacts intermol´eculaires. Nous avons ´egalement observ´e la pr´esence de nombreuses interactions de type cation-π dans les r´egions cl´es de la permutation de domaines. Ces interactions favorables et sp´ecifiques semblent donc

´egalement ˆetre impliqu´ees dans ce processus. Il reste n´eanmoins difficile d’´etablir avec certitude et pr´ecision le rˆole jou´e par les faiblesses structurales et les interactions de type cation-π dans la permutation de domaines. Afin de valider, ou de raffiner, les hypoth`eses que nous avons ´emises `a ce sujet, nous avons s´electionn´e plusieurs mutations susceptibles d’avoir un impact notable sur la propension des prot´eines `a permuter. Une

´etude exp´erimentale de l’effet de ces mutations sur la permutation de domaines devrait

se r´ev´eler riche d’int´erˆet et permettre de mieux comprendre les m´ecanismes qui r´egissent

ce ph´enom`ene dont les implications sont multiples.

CHAPITRE 7. CONCLUSION G ´ EN ´ ERALE 217

L’α

-antitrypsine est un autre exemple de prot´eine sujette `a d’importantes mo- difications structurales. Comme plusieurs autres prot´eines de la famille `a laquelle elle appartient, l’α

-antitrypsine accomplit sa fonction biologique d’inhibiteur grˆace

`a l’insertion de la boucle qui contient son site actif dans un de ses feuillets β.

Malheureusement, sous certaines conditions, cette propri´et´e particuli`ere peut avoir des cons´equences assez d´esastreuses : la formation de polym`eres insolubles caract´eris´es par l’insertion de la boucle d’une prot´eine dans le feuillet β de la suivante, qui est `a l’origine de diverses maladies. Les travaux d´ecrits au Chapitre 6 ont ´et´e r´ealis´es dans le but de concevoir rationnellement des mutations ponctuelles dans la s´equence de l’α

-antitrypsine afin de contrˆoler sa propension `a polym´eriser. Pour ce faire, nous avons s´electionn´e, `a l’aide du programme PoPMuSiC (voir Annexe D), des mutations qui stabilisent la forme active de cette prot´eine et d´estabilisent simultan´ement la forme ins´er´ee, ou invers´ement.

L’´etude exp´erimentale des propri´et´es de cinq parmi ces prot´eines mutantes, r´ealis´ee par le groupe du Professeur S.P. Bottomley, a permis de valider nos pr´edictions de mani`ere assez remarquable : quatre mutations sur cinq ont l’influence pr´evue sur le comportement de l’α

-antitrypsine vis-`a-vis de la polym´erisation.

En conclusion, nous avons montr´e que l’analyse d´etaill´ee des hypoth`eses sous-jacentes

`a la d´erivation des potentiels de force moyenne dans le cadre des prot´eines permet d’y apporter certaines am´eliorations, et d’augmenter sensiblement leur pouvoir pr´edictif. En outre, la mise en oeuvre de m´ethodes qui reposent sur de telles fonctions ´energ´etiques simplifi´ees peut se r´ev´eler fort utile pour l’´etude de prot´eines qui adoptent des structures alternatives. En particulier, nos r´esultats sugg`erent une importance cruciale des r´egions prot´eiques qui ne semblent pas optimales en regard de la stabilit´e ou du processus de reploiement, et constituent donc en quelque sorte des (( d´efauts )) vis-`a-vis de l’image, int´eressante mais sans doute trop simpliste, de prot´eines dont les paysages

´energ´etiques ressemblent `a des entonnoirs parfaits. Il est indispensable de poursuivre

la quˆete d’une meilleure compr´ehension de la nature et du rˆole de ces r´egions prot´eiques

particuli`eres. Au-del`a de l’apport `a la connaissance fondamentale, de nombreuses

applications pratiques en d´ependent, notamment dans le domaine pharmaceutique. A

cette fin, une approche int´egrant pr´edictions et validations exp´erimentales devrait se

r´ev´eler particuli`erement fructueuse. Une possibilit´e que nous avons explor´e, et dont

nous avons d´emontr´e l’int´erˆet, est incarn´ee par la conception rationnelle de prot´eines

mutantes suppos´ees pr´esenter des propri´et´es modifi´ees et par l’´etude exp´erimentale de

leurs caract´eristiques.