La biophysique théorique Les protéines, pas toujours bonnes pour la santé!

1. Jessica Nasica La biophysique théoriqueLes protéines, pas toujours bonnes pour la santé! Croc Cyc Sup - Mardi 29 mars 2011

2. Qu’est ce qu’une protéine? Traduction de l’ADN en protéine Protéine naissante Traduction en proteine ADN Ribosome ARN

3. Qu’est ce qu’une protéine? Structure primaire acide aminé 1 acide aminé 2 Chaîne polypeptidique composée d’acides aminés

4. Qu’est ce qu’une protéine? Structure secondaire Hélice α Feuillet β

5. Qu’est ce qu’une protéine? Structure tertiaire Assemblage des 2 Assemblage d’hélices α Assemblage de feuillets β

6. Qu’est ce que la biophysique? • Science interdisciplinaire qui: • Étudie des systèmes biologiques • Utilise les principes et méthodes de la physique, chimie et biochimie • Utilise des outils mathématiques et des méthodes de modélisation par ordinateur

7. Qu’est ce que la biophysique? • Science interdisciplinaire: Nanotechnologie Biochimie Biophysique Médecine et physiologie Pharmacologie

8. 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 cesmolécules. Repliement de protéines

9. 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 cesmolécules. • Déterminer la relation entre la structure et la fonction d’une molécule

10. 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 cesmolécules. • Déterminer la relation entre la structure et la fonction d’une molécule • Caractériser les interactions intermoléculaires

11. 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 cesmolécules. • 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

12. Un problème fondamental en biophysique théorique • Le repliement de protéines Le paradoxe de Levinthal

13. Un problème fondamental en biophysique théorique • Le repliement de protéines Le paradoxe de Levinthal

14. Un œil neuf sur le repliement de protéines Repliement correct Minimum global d’énergie = fonction normale de la protéine Mauvaisrepliement N’importe quel autre minimum local dans lequel la protéine sera = fonction anormale Espace des phases Approche: Une recherche stochastique de toutes les configurations possibles accessibles à une protéine.

15. 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..)

16. Les fibres amyloïdes Fibres amyloïdes: agrégats fibrillaires insolubles très organisés et très résistants Structure cross-β avec fermeture éclair = interdigitation des chaînes latérales pour stabiliser la structure Feuillets β parallèles Coeur hydrophobe = molécules d’eau exclues de l’intérieur Image MFA de fibres amyloïdes de β2-microglobuline

17. 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 surmontée Entropie S = + d’ordre dans la structure = formation de feuillets β Énergie E = formation de liaisons hydrogène Énergie libre F

18. Polymorphisme des fibres amyloïdes • Polymorphisme amyloïde: la capacité pour une même protéine de produire des agrégats avec des morphologies différentes

19. Toxicité des fibres amyloïdes Neurones en bonne santé Neurones dégradés après formation de fibres amyloïdes

20. Toxicité des fibres amyloïdes 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 Les oligomères Les fibres

21. 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)

22. 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)

23. 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 Protéine amyloïde Séquence amyloïdogénique Protéine Prion Sup35 de la levure bourgeonnante GNNQQNY YNQQNNG G N N Q Q NY Fibre amyloïde GNNQQNY GlyAsnAsnGlnGlnAsnTyr YNQQNNG GNNQQNY • Avantages: • Plus rapide pour les simulations • Des expériences ont déjà été menées sur de petites séquences qui forment des fibres pour comparer avec nos résultats • Cette courte séquence a une très forte tendance a former des fibres amyloïdes

24. 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

25. 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

26. Méthodes • Utilisation d’un potentiel simplifié: OPEP

27. Méthodes • Échange de répliques: “Replica exchange MD” • lancement de n simulations de dynamique moléculaire en parallèle, à n températures différentes • 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 Tiet a une énergie Ei et la trajectoire j a une énergie Ejà 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

28. Conditions initiales des simulations avec OPEP • Systèmes trimère, 12-mère et 20-mère Trimère 50ns 16 répliques 12-mère 125ns 16 répliques Désordonnées c) 20-mère 400ns 20,22 répliques X 2 Concentration: 4mM Conditions frontières

29. Méthode à multi-échelles Simulations tout-atome sur les structures obtenues avec OPEP 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) Chaque chaîne latérale est représentée par une bille unique pour simplifier et accélérer les calculs d’interactions. Chaque bille est reconstruite avec tous les atomes et des simulations de stabilité sont lancées sur les structures obtenues avec OPEP.

30. 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

31. 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

32. 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

33. 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 • Cinétique caractéristique des fibres amyloïdes Chute d’énergie accompagnée par une organisation structurée des peptides ! Formation d’un noyau +

34. GNNQQNY 50-mère résultats préliminaires Formation d’un long feuillet torsadé stabilisé par de plus petits feuillets

35. GNNQQNY 50-mère résultats préliminaires • Similarités dans les morphologies entre le 20-mère et le 50-mère Structures avec feuillets en hélices … pore? 20-mère 50-mère

36. 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)

37. 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

38. La biophysique expérimentale: pour moi?

39. Remerciements Collaborateurs MONTREAL • Normand Mousseau (Superviseur) PARIS • Philippe Derreumaux MILAN • Giorgio Colombo • MassimilianoMeli (Ph.D.) Financement • GEPROM • CRSNG • FESP Resources • Réseauquébécois de calcul de haute performance Remerciementsaussià: RozitaLaghaei (post-doc) Lilianne Dupuis (Ph.D.) Jean-François St-Pierre(Ph.D.) SébastienCôté (Ph.D)

40. Take home message Buvez du vin rouge pour prévenir l’Alzheimer !