Drug design in silico : criblage virtuel de protéines à visée thérapeutique

par Judith Elkaïm (Elkaim)

Thèse de doctorat en Chimie-physique

Sous la direction de Jean Dessolin.

Soutenue le 20-12-2011

à Bordeaux 1 , dans le cadre de École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) .

Le président du jury était Luc Morin-Allory.

Le jury était composé de Nathalie Geneste.

Les rapporteurs étaient Gilles Labesse, Bruno Villoutreix.


  • Résumé

    Les processus qui mènent à la découverte de nouveaux médicaments sont longs et fastidieux, et les taux de succès sont relativement faibles. L’identification de candidats par le biais de tests expérimentaux s’avère coûteuse, et nécessite de connaître en profondeur les mécanismes d'action de la protéine visée afin de mettre en place des essais efficaces. Le criblage virtuel peut considérablement accélérer ces processus en permettant une évaluation rapide de chimiothèques de plusieurs milliers de molécules afin de déterminer lesquelles sont les plus susceptibles de se lier à une cible. Ces dernières années ont ainsi été témoins de quelques success stories dans ce domaine.Le premier objectif de ce travail était de comparer différents outils et stratégies couramment utilisés dans le criblage virtuel “structure-based”, puis de les appliquer à des cibles protéiques à visée thérapeutique, en particulier dans le cadre du cancer.La protéine kinase GSK3 et un test set de ligands connus ont servi de modèle pour différentes études méthodologiques ayant pour but d’évaluer les programmes de docking et de scoring à notre disposition. En particulier, l’utilisation de plusieurs structures relaxées du récepteur ou l’insertion de torsions sur certains résidus du site actif pendant le docking ont permis d’évaluer l’influence de la flexibilité de la protéine. L’utilité et la pertinence d’outils permettant de générer automatiquement les structures 3D des ligands et de méthodes de consensus scoring ont également été étudiées.Un criblage virtuel de la Pontine, une ATPase impliquée dans la croissance tumorale pour laquelle aucun inhibiteur n’était connu, a permis la sélection de candidats issus de banques de données commerciales. Ces molécules ont été testées dans un essai enzymatique par le biais d’une collaboration, et quatre d’entre elles se sont révélées capable d’inhiber l’activité ATPase de la Pontine. Le criblage de bases de ligands synthétisés et imaginés dans l’équipe a également fourni un inhibiteur original. Au contraire, l’étude de la sPLA2-X humaine, une phospholipase dont l’activité catalytique est dépendante d’un atome de Ca2+ localisé au sein du site actif, a montré les limites de nos outils de docking qui n’ont pas été capables de gérer cet ion métallique et mis en évidence la nécessité de mettre en place d’autres outils.


  • Résumé

    The process of drug discovery is long and tedious. Besides, it is relatively inefficient in terms of hit rate. The identification of candidates through experimental testing is expensive and requires extensive data on the mechanisms of the target protein in order to develop efficient assays. Virtual screening can considerably accelerate the process by quickly evaluating large databases of compounds and determining the most likely to bind to a target. Some success stories have emerged in the field over the last few years.The objectives of this work were first, to compare common tools and strategies for structure-based virtual screening, and second, to apply those tools to actual target proteins implied notably in carcinogenesis.In order to evaluate the docking and scoring programs available, the protein kinase GSK3 and a test set of known ligands were used as a model to perform methodological studies. In particular the influence of the flexibility of the protein was explored via relaxed structures of the receptor or the insertion of torsions on the side chains of residues located in the binding site. Studies concerning the automatic generation of 3D structures for the ligands and the use of consensus scoring also provided insights on the usability of these tools while performing a virtual screening.Virtual screening of the human protein Pontin, an ATPase implied in tumor cell growth for which no inhibitors were known, allowed the prioritization of compounds from commercial databases. These compounds were tested in an enzymatic assay via a collaboration, and led to the identification of four molecules capable of inhibiting the ATPase activity of Pontin. Additional screens of in-house oriented databases also provided at least one innovative inhibitor for this protein. On the contrary, a study of the human PLA2-X, a phospholipase that requires a Ca2+ atom to bind to its active site in order to catalyze the hydrolysis of its substrate, revealed the limits of our docking tools that could not handle the metal ion and the need for new tools.


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