Projet ANR-11-JS07-0008 – PLUS : Simulation des interactions protéine-ligand dans le contexte du  Fragment-Based Drug-Design
Programme : JCJC - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (JCJC SIMI 7)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Isabelle KRIMM (UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON I)
Partenaires : Sciences Analytiques
Montant : 163280.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Programme informatique pour faciliter la conception de candidats médicaments.-
Le besoin de données structurales 3D pour le design de molécules actives à partir de molécules très simples (fragments)Une méthode efficace de conception de candidats médicaments consiste à s’inspirer de la structure 3D de la protéine considérée comme cible thérapeutique. Cette approche nommée Structure-based drug design vise à optimiser les interactions entre ligands (molécules organiques) et les protéines, en s’appuyant sur les structures 3D de ces complexes. Ceci est indispensable dans le contexte du Fragment-Based Drug Design (FBDD), approche récemment développée pour la conception de médicaments. La méthode consiste à identifier des composés organiques (fragments) capables d’interagir avec la protéine, typiquement avec des affinités faibles (> micromolaire). Afin d’augmenter son activité, le fragment va suivre une optimisation progressive, par ajout de  nouveaux groupements chimiques. Ce processus est guidé par des informations structurales. Si la cristallographie est la technique la plus utilisée, elle n’est pas toujours applicable ; il s’avère donc indispensable de développer de nouveaux outils. Nous avons ainsi développé un logiciel utilisant des donnés issues d’expériences RMN liquide. Celui-ci, utile au milieu académique comme au milieu pharmaceutique privé, permettra de faire des avancées importantes dans le domaine de la santé visant la conception de nouveaux composés thérapeutiques.
Création d’un filtre basé sur les données expérimentales RMN pour évaluer et classer les résultats d’expériences virtuelles.Le programme développé vise à évaluer les résultats d’expériences virtuelles de docking. Ces dernières permettent de proposer des structures 3D des complexes protéines-ligands à partir de la structure 3D de la protéine. Cependant, en raison de la nature de fragments, molécules organiques très simples, les logiciels de docking actuels ne permettent pas de fournir des résultats fiables. Aussi nous avons créé un programme qui permet de classer l’ensemble des structures proposées par les logiciels de docking selon un facteur d’accord entre les données expérimentales RMN et les données théoriques RMN. Ces données expérimentales correspondent aux valeurs des perturbations des déplacement chimiques des protons des protéines en présence du fragment. Les valeurs théoriques de ces perturbations sont calculées à partir d’équations empiriques prenant en compte différents paramètres chimiques et structuraux. Les valeurs sont calculées pour l’ensemble des structures 3D issues du docking. Les solutions correspondent à celles présentant le meilleur accord entre l’expérience et le calcul théorique. L’outil développé s’utilise comme un filtre ; il est compatible avec tout logiciel de docking.
Résumé de la soumission : La popularité croissante de la méthode des fragments pour la conception de médicaments (Fragment-Based Drug Design, FBDD) montre que cette technique est maintenant reconnue comme une alternative possible au criblage haut débit pour concevoir des molécules têtes de série. Considérée comme un outil puissant en Chimie Biologique, l’approche FBDD consiste à identifier des composés à bas poids moléculaires, les fragments, se liant faiblement à une protéine cible. Ces molécules simples, à peu de fonctions chimiques, présentent généralement des affinités faibles pour leur cible (haut uM à bas mM), par comparaison avec les molécules plus évoluées des campagnes de criblage haut débit. L’optimisation des ces fragments touches, par ajout de groupements chimiques ou par liaison de deux fragments se liant à des poches adjacentes sur la protéine, nécessite la connaissance de la structure du complexe protéine-fragment. Pour ce faire, la cristallographie aux rayons X est la technique de choix. Cependant, en raison de la faible affinité des fragments, elle se heurte à de nombreux échecs. Les calculs de docking (amarrage moléculaire) sont aussi envisageables mais les fonctions de score utilisées pour classer les différentes positions possibles du ligand ne sont pas encore adaptées à des interactions aussi faibles. Aussi les résultats diffèrent en fonction du logiciel utilisé. Par conséquent, de nouvelles méthodes incluant des données expérimentales sont nécessaires pour permettre une évaluation rapide du site et du mode de liaison des fragments. La Résonance Magnétique Nucléaire est l’une des techniques les plus puissantes pour cribler et identifier des fragments touches. Cette méthode permet aussi de déterminer le site de liaison du fragment sur la protéine grâce à l’interprétation qualitative des perturbations de déplacement chimiques (Chemical Shift Perturbation, CSP) observés sur le spectre RMN de la protéine lors de l’ajout du fragment. Dans ce projet, nous envisageons d’utiliser les CSP de façon quantitative pour caractériser les propriétés de liaison des fragments, en étudiant le ou les site(s) et mode(s) de liaison des fragments lorsqu’ils interagissent avec la protéine. L’originalité de ce projet réside dans l’étude d’interactions très faibles (10 mM > constante de dissociation > 10 uM). Un logiciel sera élaboré pour estimer les positions des fragments sur la protéine à partir de données RMN. Ce projet, qui a pour but d'étudier le comportement de molécules organiques très simples en tant que ligands de protéines, aura un impact tant dans le domaine du drug-design que dans le domaine de la chimie biologique. Le responsable du projet a introduit et développé l’approche FBDD dans le Laboratoire LSA à l’Université de Lyon. Une chimiothèque de 250 fragments a été conçue et les méthodes RMN sont actuellement utilisées pour (1) appliquer les techniques FBDD à la conception de nouvelles molécules actives en collaboration avec des chimistes et des biologistes et (2) étudier les interactions protéine-fragment en termes d’affinité, de spécificité et de propriétés de liaison, avec 3 articles publiés dans le courant de l’année 2010 par le porteur du projet.
Résultats : Le programme CSPsim développé par le projet PLUS permet de filtrer efficacement les résultats d’expériences virtuelles de docking à l’aide de données expérimentales RMN 2D. Des structures 3D de complexes entre une molécule fragment et sa cible thérapeutique peuvent ainsi être rapidement obtenues. Le programme a été comparé à des résultats de cristallographie, démontrant son efficacité. Le programme permet aussi de mettre en évidence les zones de la protéine qui subissent éventuellement des modifications structurales lors de l’interaction avec le fragment. Tous ces apports permettent de faciliter le processus Fragment-Based Drug Design de conception de candidats médicaments. Un projet de valorisation avec PULSALYS, SATT de Lyon St-Étienne, est en cours pour développer ce programme via une interface graphique conviviale et ajouter la possibilité de filtrer via d’autres données expérimentales RMN 1D.
Perspectives : Le projet a permis le développement d’un outil informatique particulièrement utile dans les toutes premières étapes de conception de molécules à visée thérapeutique. Les perspectives sont de trouver des partenaires privés pour le développement/la diffusion de CSPSIM dans le domaine de la recherche pharmaceutique. Il est aussi envisagé de s’intéresser à d’autres paramètres RMN, tels que l’effet NOE, observé entre deux ligands en compétition pour un même site d’une protéine (appelé effet INPHARMA), et l’effet STD (Saturation transfer Difference). Ces deux expériences, très simples d’un point de vue pratique, sont encore peu exploitées pour l’analyse structurale des complexes protéine-fragment.
Publications et brevets : Le projet PLUS (un seul partenaire) a donné lieu à 7 publications dont 1 Chapitre de Livre consacré au Fragment-Based Drug Design, ainsi que 3 Communications internationales et plus de 15 communications nationales dont deux prix de posters. Le programme CSPsim a été déposé à l’Agence de Protection des Programmes via PULSALYS.