la biophysique théorique les protéines, pas toujours bonnes pour la santé!
DESCRIPTION
Jessica Nasica. La biophysique théorique Les protéines, pas toujours bonnes pour la santé!. Croc Cyc Sup - Mardi 29 mars 2011. Qu’est ce qu’une protéine?. Traduction de l’ADN en protéine. Protéine naissante. Traduction en proteine. ADN. Ribosome. ARN. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
LA BIOPHYSIQUE THÉORIQUELES PROTÉINES, PAS TOUJOURS BONNES POUR LA SANTÉ!
Croc Cyc Sup - Mardi 29 mars 2011
Jessica Nasica
Qu’est ce qu’une protéine?
Traduction de l’ADN en protéine
ADN Ribosome
Traduction en proteine
Protéine naissante
ARN
Qu’est ce qu’une protéine?
Structure primaire
Chaîne polypeptidiquecomposée d’acides aminés
acide aminé 1 acide aminé 2
Qu’est ce qu’une protéine?
Structure secondaire
Hélice α Feuillet β
Qu’est ce qu’une protéine?
Structure tertiaire
Assemblage d’hélices α Assemblage de feuillets β
Assemblage des 2
Qu’est ce que la biophysique?
Science interdisciplinaire qui:
Étudie des systèmes biologiquesUtilise les principes et méthodes de la
physique, chimie et biochimieUtilise des outils mathématiques et des
méthodes de modélisation par ordinateur
Qu’est ce que la biophysique?
Science interdisciplinaire:
Biochimie Biophysique Médecine et physiologie
Pharmacologie
Nanotechnologie
La biophysique: à quoi ça sert?
Les sous domaines de la biophysique tentent de:
Déterminer la/les structure(s) de molécules biologiques spécifiques et de larges assemblages de ces molécules.
Repliement de protéines
La biophysique: à quoi ça sert?
Les sous domaines de la biophysique tentent de:
Déterminer la/les structure(s) de molécules biologiques spécifiques et de larges assemblages de ces molécules.
Déterminer la relation entre la structure et la fonction d’une molécule
La biophysique: à quoi ça sert?
Les sous domaines de la biophysique tentent de:
Déterminer la/les structure(s) de molécules biologiques spécifiques et de larges assemblages de ces molécules.
Déterminer la relation entre la structure et la fonction d’une molécule
Caractériser les interactions intermoléculaires
La biophysique: à quoi ça sert?
Les sous domaines de la biophysique tentent de:
Déterminer la/les structure(s) de molécules biologiques spécifiques et de larges assemblages de ces molécules.
Déterminer la relation entre la structure et la fonction d’une molécule
Caractériser les interactions intermoléculaires Tenter de comprendre les mouvements mécaniques
impliqués dans les réactions moléculaires
Un problème fondamental en biophysique théorique
Le repliement de protéines
Le paradoxe de Levinthal
Un problème fondamental en biophysique théorique
Le repliement de protéines
Le paradoxe de Levinthal
Un œil neuf sur le repliement de protéines
Minimum globald’énergie = fonction normale de la protéine
Une recherche stochastique de toutes les configurations possibles accessibles à une protéine.
Espace des phasesN’importe quel autreminimum local danslequel la protéine sera= fonction anormale
MAUVAIS REPLIEMENT
REPLIEMENT CORRECT
APPROCHE:
Contexte médical
Sous certaines conditions physiologiques
Des protéines fonctionnelles changent et se replient incorrectement
Elles adoptent alors une forme qui encourage la formation de fibres amyloïdes
Ces fibres amyloïdes s’accumulent et se déposent dans le cerveau et sont associées avec les maladies neurodégénératives (Alzheimer, Parkinson, etc..)
Les fibres amyloïdesFibres amyloïdes: agrégats fibrillaires insolubles très organisés et très résistants
Image MFA de fibres amyloïdes de β2-microglobuline
Structure cross-β avec fermetureéclair = interdigitation deschaînes latéralespour stabiliser la structure
Feuillets β parallèles
Coeur hydrophobe= molécules d’eau exclues de l’intérieur
La formation de fibres amyloïdes
La formation de fibres amyloïdes est souvent un processus de nucléation
présence d’un noyau préformé nécessaire Croissance rapide: plus de protéines s’attachent plus facilement une fois que la barrière entropique est surmontée
Barrière entropique surmontéeEntropie S = + d’ordre dans la structure = formation de feuillets β Énergie E = formation de liaisons hydrogène
Énergie libre F
Polymorphisme des fibres amyloïdes
Polymorphisme amyloïde: la capacité pour une même protéine de produire des agrégats avec des morphologies différentes
Toxicité des fibres amyloïdes
Neurones en bonne santé
Neuronesdégradés après formation de fibresamyloïdes
Toxicité des fibres amyloïdes
LES FIBRESLES OLIGOMÈRES
QUESTIONS: Qu’est ce qui est responsable de la toxicité? Par quel mécanisme?
Des espèces intermédiaires qui se forment pendant la formation de fibres
Sont plus toxiques que les fibres Des expériences suggèrent que les oligomères de plusieurs
protéines ont la même structure = partagent le même mécanisme de toxicité?
Oligomères cibles de grand intérêt pour mieux comprendre la toxicité amyloïde
Théories sur les états des oligomères
Oligomères en protofibres
Oligomères en pores peuvent former des structures annulaires pour passer au travers des membranes des cellules: baril-β
Structure annulaire pour les oligomères amyloïdes observés expérimentalement (gauche) & numériquement (droite)
Problématique de recherche
Étudier ces oligomères et leurs premières étapes d’agrégation (dynamique)
Comprendre leur mécanisme de toxicité Déterminer leurs caractéristiques afin de
développer des médicaments (structure)
L’approche des petits peptides amyloïdes
Certains modèles suggèrent que seule une petite portion d’une protéine amyloïde serait responsable de la formation de fibres
séquence amyloidogénique
GNNQQNY
Protéineamyloïde
Fibreamyloïde
Séquenceamyloïdogénique
YNQQNNG
GNNQQNY
YNQQNNG
GNNQQNY
AVANTAGES:1. Plus rapide pour les simulations2. Des expériences ont déjà été menées sur de petites séquences qui
forment des fibres pour comparer avec nos résultats3. Cette courte séquence a une très forte tendance a former des fibres
amyloïdes
Gly Asn Asn Gln Gln Asn Tyr G N N Q Q N Y
Protéine Prion Sup35de la levure bourgeonnante
Problématique de recherche
Comprendre le processus d’agrégation des petits peptides en oligomères Cinétique d’agrégation Structures finales (morphologies accessibles)
Étudier différentes tailles de systèmes Trimère GNNQQNY 12-mère GNNQQNY 20-mère GNNQQNY 50-mère GNNQQNY 100-mère GNNQQNY ?
Étudier d’autres courtes séquences amyloidogéniques
Méthodes Simulations numériques
Dynamique moléculaire simuler les mouvements atomiques en fonction du temps Chaque atome = masse ponctuelle dont le mouvement est déterminé par
la exercée par les autres atomes
ALGORITHME: À un temps t, chaque atome i de masse mi, de coordonnées ri(t) subira une accélération ai. La force agissant sur un atome est:
où et E est l’énergie potentielle totale d’intéraction
On peut alors intégrer et obtenir une trajectoire de chaque atome en fonction de t.
Pour cela on utilise l’algorithme de « velocity-Verlet » à chaque pas de simulation:
τest le pas: 1.5 fs
€
r F ∑
€
r F i = m i
r a i
€
r F i = −
dr E (ri ,...,rn )
dri (t )
€
r F i = m i
d 2r r i (t )
dt 2
€
ri (t + τ ) = ri (t ) + vi (t )τ +12
τ 2 Fi (t )m i
vi (t + τ ) = vi (t ) +Fi (t ) + Fi (t + τ )
2m i
τ
Méthodes Utilisation d’un potentiel simplifié: OPEP
Méthodes Échange de répliques: “Replica exchange MD”
1. lancement de n simulations de dynamique moléculaire en parallèle, à n températures différentes
2. à intervalles réguliers, on tente un échange de configurations entre 2 températures adjacentes en utilisant le critère de Métropolis
Avant l’échange, la trajectoire i est à température Ti et a une énergie Ei et la trajectoire j a une énergie Ej à température Tj
AVANTAGES: L’échange de répliques accélère l’échantillonnage (au dépend d’une
perte d’information dynamique).
L’échange de répliques donne toujours l’information thermodynamique
€
p(i, j) = min 1.0,exp1
kBTi
−1
kBT j
⎡
⎣ ⎢ ⎢
⎤
⎦ ⎥ ⎥E i − E j( )
⎧ ⎨ ⎪
⎩ ⎪
⎫ ⎬ ⎪
⎭ ⎪
Conditions initiales des simulations avec OPEP
Systèmes trimère, 12-mère et 20-mère
c)
Trimère 50ns16 répliques
12-mère 125ns16 répliques
20-mère 400ns20,22 répliquesConcentration: 4mM
Conditions frontières
X 2
Désordonnées
Méthode à multi-échelles
Chaque chaîne latérale est représentée parune bille unique pour simplifier et accélérerles calculs d’interactions.
Chaque bille est reconstruite avec tous les atomeset des simulations de stabilité sont lancées sur les structures obtenues avec OPEP.
Développement et implémentation d’un potentiel novateur simplifié de dynamique moléculaire (OPEP) et de nombreux outils d’analyse en collaboration avec l’IBPC (Paris)
Reconstruction tout-atome, ajout de molécules d’eau explicites et simulations de structures stables issues de simulations avec le potentiel OPEP à l’ICRM (Milan)
Structures obtenues avec OPEP Simulations tout-atome sur lesstructures obtenues avec OPEP
Résultats Trimère GNNQQNY
Forte tendance à former des feuillets-β Orientation antiparallèle des brins Formation d’un dimère antiparallèle nécessaire pour qu’il y
ait agrégation
Résultats 12-mère GNNQQNY
Forte tendance à former des feuillets-β Structure à 2 feuillets orthogonaux domine et est stable Orientation mixte des brins Formation d’un ou deux trimères/tétramères nécessaires
pour qu’il y ait agrégation Energétiquement plus favorable que le trimère Apparition de polymorphisme
Résultats 20-mère GNNQQNY - Morphologie
Forte tendance à former des feuillets-β Structures à 2 ou 3 feuillets-βdominent
2 feuillets structure ressemblant la fibre 3 feuillets structure en hélices avec parfois une symétrie bien définie
Dominance d’orientation parallèle des brins Formation d’un ou plusieurs dimères/trimères/tétramères
nécessaires pour qu’il y ait agrégation Énergétiquement plus favorable que le trimère et le 12-mère Polymorphisme apparent Présence d’un centre hydrophobe au cœur des structures
20-mères exclusion des molécules d’eau Interdigitation partielle des chaînes latérales Asn et Gln
Résultats 20-mère GNNQQNY - Cinétique
Une fois un noyau formé, les peptides sont entraînés dans le processus d’agrégation et l’énergie et l’entropie du système diminue très rapidement
Chute d’énergie accompagnée par une organisation structurée des peptides !
Cinétique caractéristique des fibres amyloïdes
Formation d’un noyau +
GNNQQNY 50-mère résultats préliminaires
Formation d’un long feuillet torsadé stabilisé par de plus petits feuillets
GNNQQNY 50-mère résultats préliminaires
Similarités dans les morphologies entre le 20-mère et le 50-mère
20-mère 50-mère
Structures avec feuillets en hélices … pore?
Travaux à venir Cinétique du 20-mère Amener la simulation du 50-mère GNNQQNY à maturité Simulation de 100-mère GNNQQNY Optimiser le code pour l’accélérer Même étude sur d’autres courtes séquences
amyloidogéniques: LYQLEN (Insuline humaine) VEALYL (Insuline humaine) VQIVYK (Protéine tau humaine – Alzheimer) GGVVIA (Protéine Abeta – Alzheimer) MVGGVV (Protéine Abeta – Alzheimer) SNQNNF (Protéine Prion humaine) SSTSAA (Protéine Ribonucléase bovine)
La biophysique théorique: pour moi?
Ce qui est nécessaire pour entrer en biophysique théorique: Avoir un intérêt pour la programmation et le
développement d’algorithmes Aimer la thermodynamique et la mécanique
statistique Avoir un intérêt pour la biochimie et la médecine Aimer le travail en équipe
Ce qui n’est PAS nécessaire pour entrer en biophysique théorique: Avoir une connaissance préalable en biologie
moléculaire ou biochimie
La biophysique expérimentale: pour moi?
Remerciements Collaborateurs
MONTREAL- Normand Mousseau (Superviseur)
PARIS- Philippe Derreumaux
MILAN- Giorgio Colombo- Massimiliano Meli (Ph.D.)
Financement
- GEPROM- CRSNG- FESP
Resources
- Réseau québécois de calcul de haute performance
Remerciements aussi à: Rozita Laghaei (post-doc)
Lilianne Dupuis (Ph.D.) Jean-François St-Pierre(Ph.D.) Sébastien Côté (Ph.D)
Take home message
Buvez du vin rougepour prévenir l’Alzheimer !