Simulations de dynamique moléculaire à haute résolution des isoformes 1 et 2 de la pyruvate kinase musculaire

High-resolution molecular dynamics simulations of muscle pyruvate kinase isoforms 1 and 2

• Auteur / Autrice : Quentin Delobelle
• Direction : Vincent Maréchal, Jean-Philip Piquemal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 02/04/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physiologie, Physiopathologie et Thérapeutique (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche Saint-Antoine (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Chahrazade El Amri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Montes
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Isabelle Segalas-Milazzo, Nathalie Dupont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomolécules

Champs de force (chimie)

Métabolisme

Cellules cancéreuses

Pyruvate kinase

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

AMOEBA

PKM1/PKM2

Dynamique moléculaire

Cancer

Métabolisme

AMOEBA

PKM1/PKM2

Molecular dynamic

Cancer

Metabolism

Résumé

Le métabolisme glycolytique joue un rôle essentiel dans les processus physiologiques normaux et dans la croissance des cellules cancéreuses. Les isoformes 1 et 2 de la pyruvate kinase musculaire, appelées PKM1/2, sont des protéines cruciales qui régulent ce métabolisme. La caractérisation de la dynamique structurelle de ces biomolécules est donc importante pour développer de nouveaux médicaments dirigés contre les formes exprimées dans les cellules tumorales. Pour ce faire, nous avons réalisé des simulations de dynamique moléculaire (DM) de ces deux protéines à haute résolution, en nous appuyant sur des techniques d'échantillonnage adaptatif couplées au champ de forces polarisable AMOEBA afin de comprendre la flexibilité conformationnelle de l'enzyme dans ses différents états d'oligomérisation. Nous proposons une analyse structurale à haute résolution pour PKM2 et apportons de nouvelles données structurales pour PKM1. En effet, nous étudions le processus d'oligomérisation de l'enzyme PKM2 (du monomère au tétramère) et nous sommes notamment attachés à analyser la structuration de sites structuraux clés, notamment le site actif et la poche de fixation du Fructose Biphosphate (FBP), un inducteur conformationnel physiologique. Nous montrons également que la fixation du TEPP-46, un activateur pharmacologique de PKM2, induit des modifications structurales très proches de celles induites par la fixation du FBP, bien que les domaines d'interaction soient distincts. Enfin, nous décrivons la première simulation DM à haute résolution de la forme active de PKM1, qui présente de fortes similitudes structurelles avec la forme tétramérique de PKM2 liée au FBP. Ces résultats fournissent de nouvelles informations sur la dynamique structurelle et la structuration des sites clés pendant l'oligomérisation de PKM2, qui pourraient s'avérer cruciales pour la découverte de nouvelles molécules actives.

In both normal physiological processes and cancer cell growth, glycolytic metabolism plays a pivotal role. The Pyruvate Kinase Muscle isoforms 1 and 2, denoted PKM1/2, are crucial proteins that regulate this metabolism. Characterizing the structural dynamics of these biomolecules is thus imperative in order to develop new drugs targeting PMK enzymes in tumor cells. To address this, we performed extensive molecular dynamics (MD) simulations of these two proteins at high-resolution. To do so, we employed adaptive sampling techniques coupled with the polarizable AMOEBA force field to understand the conformational flexibility of the enzyme. We propose a high-resolution structural analysis for PKM2 and introduce structural insights for PKM1. We are studying the oligomerization process of the PKM2 enzyme (from monomer to tetramer) while focusing on the structuring of key structural sites, in particular the active site and the binding pocket for Fructose Biphosphate (FBP), a physiological conformational inducer. We also provide data explaining the impact of TEPP-46, a pharmacological activator, on PKM2 structure and their similarity with PKM2 bound to FBP in conformity to biological results. Finally, we propose the first high-resolution MD simulation of the biological active PKM1 and reveal important structural information in link with strong structural similarities with PKM2 when linked to FBP. These findings provide new insights concerning the structural dynamics and key sites structuration during PKM2 oligomerization that could be critical in drug discovery.