Comment sont conçus les médicaments de demain?www.atelier-drug-design.ch

Comment sont conçus les médicaments de demain?

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Le film

Studio KO

Qu’est-ce qu’un médicament ?

Comment ça marche ?

3

Les protéines

Une protéine peut être comparée à un collier d’acides aminés, replié sur lui-même.

Il existe 20 acides aminés (perles) différents.

Une protéine est composée de 300 acides aminés (en moyenne).

La forme de la protéine dépend de sa composition en acide aminé…

Dans notre corps, il y a

le fil du ‘collier’

la surface du ‘collier’

Différentes représentations de la structure 3D d’une protéine (un collier d’acides aminés)

Un pe u d e t hé ori e

Une protéine

 Le site fonctionnel d’une protéine est altéré

 Une protéine est en trop petite quantité

 Une protéine est en trop grande quantité

Le mélanome: cancer de la peau

• Le mélanome est un cancer de la peau, conséquence de la prolifération anormale des cellules appelées

‘mélanocytes’.

• Les cellules de la tumeur dérivent toutes d’une cellule ‘initiatrice’ qui a acquis certaines

caractéristiques lui permettant de se diviser indéfiniment (perte de contrôle).

• Mutation (somatique)

Identifier la protéine à cibler:

‘Genome-Wise Association Studies’ (GWAS) et

recherches expérimentales

des années de recherche…

https://www.intogen.org/search

459 mutational drivers (cell cycle and DNA damage, angiogenesis, apoptosis, proliferation, cell adhesion)

Analyse bioinformatique / statistique ‘Genome-Wise Association Studies’ (GWAS)

Résultat de la recherche bioinformatique (statistique)

La protéine produite à partir du gène BRAF est appelée B-Raf.

Elle est impliquée dans le contrôle de la division des cellules.

Résultat de la recherche expérimentale:

Cellules

Chromosomes ADN

Protéine Mutation

Un pe u d e t hé ori e

● Cellules

● Chromosomes (23 x 2)

● ADN

1. L’ADN est le fil de la pelote ‘chromosome’

2. L’ADN est constitué de 4 molécules appelées A, T, G, C 3. L’ADN est une double hélice (double brin): A=T, G=C

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/568815591?report=fasta

Séquence ADN du chromosome 7 (GenBank database; 159’345’973 bp)

u de bioinformatique

Le gène BRAF

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/568815591?report=fasta

Séquence ADN du chromosome 7 (GenBank database; 159’345’973 bp)

Un peu de bioinformatique

Le gène BRAF

Une variation génétique T -> A

http://cancer.sanger.ac.uk/cosmic/search?q=braf

Est-ce que la séquence ADN du gène BRAF du mélanome de Mme X est ‘mutée’ ?

Qu es tio n

>1_normal

gtttgaactaggtgattttggtctagctacagtgaaatctcgatggagtgggtcccat

>2_normal

gtttgaactaggtgattttggtctagctacagtgaaatctcgatggagtgggtcccat

>MmeX_normal

gtttgaaataggtgattttggtctagctacagtgaaatctcgatggagtgggtcccat

>1_melanome

gtttgaactaggtgattttggtctagctacagagaaatctcgatggagtgggtcccat

>2_melanome

gtttgaaataggtgattttggtctagctacagagaaatctcgatggagtgggtcccat

>MmeX_melanome

gtttgaaataggtgattttggtctagctacagagaaatctcgatggagtgggtcccat

http://www.uniprot.org/align/

Un peu de bioinformatique

Un peu de bioinformatique

Un peu de bioinformatique

Cette variation n’est pas associée avec le mélanome (‘neutre’)

Cette variation est systématiquement retrouvée dans les

Est-ce que la mutation identifiée dans l’ADN du gène BRAF du mélanome

modifie la séquence en acide aminé de la protéine B-Raf ?

Qu es tio n

● Séquence ADN du gène BRAF 'normal'.

gct aca gtg aaa

● Séquence ADN du gène BRAF avec la mutation t -> a gct aca gag aaa

…ggt gat ttt ggt cta gct aca gtg aaa tct cga tgg…

D F G L A T V K S R W

Code génétique ADN

Gène BRAF

Protéine B-Raf

… …

un acide aminé

Il existe 20 acides aminés différents

G

…ggt gat ttt ggt cta gct aca gag aaa tct cga tgg…

D F G L A T E K S R W

Code génétique

Mutation

Mutation

ADN

Gène BRAF

Protéine B-Raf

…

G

MAALSGGGGGGAEPGQALFNGDMEPEAGAGAGAAASSAADPAIPEEVWNIKQMIKLTQEH IEALLDKFGGEHNPPSIYLEAYEEYTSKLDALQQREQQLLESLGNGTDFSVSSSASMDTV TSSSSSSLSVLPSSLSVFQNPTDVARSNPKSPQKPIVRVFLPNKQRTVVPARCGVTVRDS LKKALMMRGLIPECCAVYRIQDGEKKPIGWDTDISWLTGEELHVEVLENVPLTTHNFVRK TFFTLAFCDFCRKLLFQGFRCQTCGYKFHQRCSTEVPLMCVNYDQLDLLFVSKFFEHHPI PQEEASLAETALTSGSSPSAPASDSIGPQILTSPSPSKSIPIPQPFRPADEDHRNQFGQR DRSSSAPNVHINTIEPVNIDDLIRDQGFRGDGGSTTGLSATPPASLPGSLTNVKALQKSP GPQRERKSSSSSEDRNRMKTLGRRDSSDDWEIPDGQITVGQRIGSGSFGTVYKGKWHGDV AVKMLNVTAPTPQQLQAFKNEVGVLRKTRHVNILLFMGYSTKPQLAIVTQWCEGSSLYHH LHIIETKFEMIKLIDIARQTAQGMDYLHAKSIIHRDLKSNNIFLHEDLTVKIGDFGL

ATVK

SRWSGSHQFEQLSGSILWMAPEVIRMQDKNPYSFQSDVYAFGIVLYELMTGQLPYSNINN RDQIIFMVGRGYLSPDLSKVRSNCPKAMKRLMAECLKKKRDERPLFPQILASIELLARS LPKIHRSASEPSLNRAGFQTEDFSLYACASPKTPIQAGGYGAFPVH

Séquence en acide aminé de la protéine B-Raf (766 acides aminés)

V -> E (V600E)

La mutation t -> a dans la séquence ADN du gène BRAF

conduit au remplacement de l'acide aminé V (valine; codon gtg) par l'acide aminé E (glutamate; codon gag)

en position 600 dans la séquence de la protéine.

Protéine BRAF

Vidéo: transition BRAF inactive -> BRAF active (V600E)

Contrôle la division des cellules Contrôle la division des cellules La mutation V600E induit

un changement dans la structure 3D de la protéine B-Raf

 Le site fonctionnel d’une protéine est altéré

 Une protéine est en trop petite quantité

 Une protéine est en trop grande quantité

Que faire ?

Qu es tio n

Concevoir un médicament qui cible la protéine B-Raf ‘mutée’

et

atelier

Drug Design

Une fois que la protéine cible a été identifiée…

4 étapes, plus de 2 ans de recherche bioinformatique…

http://www.atelier-drug-design.ch/braf.php

Résultats

Docking

BRAF actif (V600E) + Vemurafenib BRAF inactif + Vemurafenib

BRAF actif (muté)

BRAF inactif

Comparaison des scores du docking des 2 médicaments

BRAF active (V600E)

BRAF inactive

Le Vemurafenib est le médicament le plus approprié pour le traitement du mélanome: il a une plus grande affinité pour B-Raf V600E active que pour B-Raf inactive !

Mutée (V600E)

aniline

Score du docking de votre molécule

Peut mieux faire !

Est-ce que la molécule

médicament cible uniquement la protéine B-Raf ?

Qu es tio n

Résultats

Swiss Target Prediction

Vemurafenib

Sorafenib

ATP (substrat naturel)

Le programme SwissTargetPrediction compare la molécule médicament que vous soumettez avec 280’000 molécules connues pour interagir avec 2000 protéines.

Si votre molécule ressemble à une de ces molécules,

SwissTarget vous donne le score de similitude et le nom des

protéines qui interagissent avec elles.

Connaître les cibles potentiels d’un médicament: un moyen parmi d’autres pour rechercher de nouvelles utilisations pour un médicament existant (processus appelé ‘drug

repurposing’ en Anglais).

Exemples:

• Viagra: hypertension, angine de poitrine -> dysfonction érectile

• Thalidomide: anti-douleur -> traitement de la lèpre

Comment se comporte le médicament que vous avez

dessiné dans le corps humain ?

Absorbtion (voie orale, tractus disgestif) Distribution (cerveau ?)

Métabolisme (produits dérivés potentiellement toxiques ?) Excrétion

Qu es tio n

Résultats

ADME

N’atteint pas le cerveau

(substrat de la protéine P-gp = éjecté du CNS)eut

pas Absorbé au niveau du

tractus digestifpas

Absorbtion au niveau de la peau

Prédiction de la difficulté à synthétiser la molécule Le médicament existe

déjà ?

Absorption, Distribution, Métabolisme et Excrétion

Quelques chiffres

 10⁶⁰ molécules possibles

 35 millions de molécules disponibles

 moins de 2’000 molécules sont des molécules médicaments (approuvées par la FDA)

 280’000 molécules sont connues pour être actives sur plus de 2000 protéines cibles.

 plus de 10 ans de travail pour concevoir une nouvelle molécule médicament (analyses bioinformatiques, tests en laboratoire, tests cliniques, …)

Septembre 2015

proposer le bon traitement au bon moment pour le bon groupe de patients une médecine qui définit les

médicaments les mieux adaptés à chacune et à chacun

sur la base de tests diagnostiques - biologiques et génétiques (ADN) -

Tests diagnostiques (tests biologiques,

tests génétiques)

déceler à un stade précoce les risques de maladies, afin d’éviter ou de retarder le déclenchement de la maladie

ou d’en atténuer la gravité

Me rci po ur vot re par tici pati on !

et merci de remplir l’évaluation….

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Atelier COX

 Le site fonctionnel d’une protéine est altéré

 Une protéine est en trop petite quantité

 Une protéine est en trop grande quantité

La douleur est le plus souvent la conséquence d’une production excessive de prostaglandines dûe à une

production élevée d’une protéine appelée COX2

COX2 est surexprimée sur le lieu d’une inflammation et produit des prostaglandines en excès (substrances algogènes, qui provoquent la douleur)

Le jeu des 7 différences….

COX1 et COX2: 2 protéines très similaires, mais avec des fonctions biologiques différentes !

Que faire ?

Qu es tio n

L’acide salicylique (salicylic acid) est le dérivé actif de l’aspirine (acide

acétylsalicylique). L’aspirine est un des médicaments le plus consommé au monde. Des décoctions de feuilles de saule, qui contiennent un dérivé de l’aspirine, étaient déjà utilisées il y a plus de 7000 ans pour lutter contre la douleur. L’aspirine cible COX1 et COX2. Elle est justement utilisée pour ses propriétés à la fois anti-coagulantes et anti-

L’ibuprofène cible COX1 et COX2. L’ibuprofène est un anti-douleur qui est fréquemment prescrit pour les traitements de courte durée de la fièvre ou de douleurs telles que maux de tête, états grippaux, douleurs dentaires,

courbatures et règles douloureuses. Il a été développé dans les années 60.

COX1 avec l’ibuprofen

Le diclofénac (Voltarène) cible COX1 et COX2. Il est prescrit en cas de

douleurs liées à des inflammations articulaires, à de l'arthrose ou en cas de sciatique. Le diclofénac est beaucoup utilisé en médecine vétérinaire en Afrique (délivré sans ordonnance). Cela a conduit à la quasi extinction de certains vautours charognards se nourrissant de carcasses d'animaux d'élevage en Asie et en Afrique. En effet le diclofénac est extrêmement toxique pour les vautours (Gyps spp.) car son ingestion, même à de très faibles concentrations, entraîne une insuffisance rénale aiguë chez ces espèces.

Le célécoxib a plus d’affinité pour COX2 que pour COX1 (famille des coxib). Il est mal assimilé au niveau du cerveau. Il est utilisé dans le traitement des affections rhumatismales (arthrose et polyarthrite rhumatoïde).

Scores du docking dans COX2

Scores du docking dans COX1

Le célécoxib a plus d’affinité pour COX2 que pour COX1

Celecoxib dans COX1

Aspirine

COX1 COX2

Ibuprofen

COX1 COX2

Celecoxib

Celecoxib

Le celecoxib est potentiellement un substat (Yes) de la protéine P-gp. La protéine P-gp éjecte les

molécules du cerveau: le celecoxib ne restera donc probablement pas dans le cerveau (mauvais plan pour soigner une migraine !). D’autres tests sont néanmoins nécesssaires.

Atelier IDO1

 Le site fonctionnel d’une protéine est altéré

 Une protéine est en trop petite quantité

 Une protéine est en trop grande quantité

Le système immunitaire joue un rôle clé dans la lutte contre le cancer: il traque et

élimine les cellules cancéreuses. Mais ces dernières déploient toute une série d’astuces pour échapper à sa vigilance.

De nombreuses cellules cancéreuses produisent la IDO1 en grande quantité. Un taux élevé d’IDO1 dans une tumeur est souvent lié à un mauvais pronostique. Pourquoi?

IDO1 est une protéine impliquée dans la dégradation de l'acide aminé tryptophane. Le tryptophane est un acide aminé essentiel: il doit être en quantité suffisante pour que les cellules puissent se diviser normalement.

Dans l’environnement d’une cellule cancéreuse produisant IDO1 en grande quantité, la baisse de la concentration de tryptophane entraîne un arrêt de la prolifération des cellules du système immunitaire (lymphocytes T). De plus, certains produits dérivés de la dégradation du tryptophane sont directement toxiques pour les lymphocytes T.

Protéine IDO1

IDO1 avec AMG-1

Protéine IDO1

Tryptophane : substrat naturel d’IDO1; un acide aminé essentiel SMILES: c1ccc2c(c1)c(c[nH]2)C[C@@H](C(=O)O)N

Me rci po ur vot re par tici pati on !

Bonus

Modèle ‘clé serrure’ (Emil Fischer 1890)

Molécule médicament

Protéine cible

pdb

Vidéo: des protéines en 3D

https://www.intogen.org/search?cancer=CM

Cet outil bioinformatique prédit la cible de l’activité de petites molécules.

Il compare une petite molécule avec 280’000 molécules connues pour être actives sur plus de 2000 protéines cibles.

Ex: Bisphenol A et le Chlorotrianisène

Un pe u d e b ioi nfo rm ati qu e

www.swisstargetprediction.ch

Fingerprints moléculaires

But: quantifier la similarité de la structure chimique de 2 molécules.

…et toucher du doigts les algorithmes des programmes utilisés pour le drug design:

 retrouver "visuellement" des mini-fragments dans différentes molécules

 stocker cette information dans un «vecteur»

 calculer simplement la similarité entre les vecteurs

proposer le bon traitement au bon moment pour le bon groupe de patients une médecine qui définit les

médicaments les mieux adaptés à chacune et à chacun

sur la base de tests diagnostiques - biologiques et génétiques (ADN) -

Tests diagnostiques (tests biologiques,

tests génétiques)

déceler à un stade précoce les risques de maladies, afin d’éviter ou de retarder le déclenchement de la maladie

ou d’en atténuer la gravité

Image adaptée de Pfizer

Septembre 2015

«Il est sage d’attendre que la recherche fondamentale étaye largement l’avènement d’une médecine basée sur les évidences, et non sur des expertises pour l’heure partielles ou inabouties. »

Février 2014

Protéase HIV

Protéase HIV

 Protéase du virus HIV en présence du Saquinavir (en rouge) .

 La protéase PR est essentielle à la survie du virus.

 Le Saquinavir est le premier médicament conçu

entièrement in silico, c'est-à-dire uniquement à l'aide de programmes bioinformatiques !

 Le Saquinovir est aujourd’hui un des médicament utilisé dans

la trithérapie contre le virus HIV.