Laurent SALMON Laboratoire de Chimie Bioorganique et Bioinorganique ICMMO CNRS-UMR 8182

1. Les simulations Numériques en Chimie à Paris-Sud 24 octobre 2012 Etudes structurales de complexes de la phosphomannose isomérase de C. albicans à l’aide du logiciel de mécanique moléculaire polarisable SIBFA Laurent SALMON Laboratoire de Chimie Bioorganique et Bioinorganique ICMMO CNRS-UMR 8182 Université Paris-Sud XI Nohad GRESH Laboratoire de Chimie et Biochimie Pharmacologiques et Toxicologiques CNRS-UMR 8601 Université Paris Descartes

2. Plan de l’exposé • Contexte de l’étude • Les aldose-cétose isomérases • Stratégie développée • Inhibition des PGI et PMI par le 5PAH • Structure cristalline du complexe RmPGI-5PAH • Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans • Structure 3D par diffraction des RX de CaPMI • SIBFA : présentation • SIBFA : PMI de C. albicans • SIBFA : complexes CaPMI-5PAH vs CaPMI-5PAA • SIBFA : site actif du complexe PMI-5PAH • SIBFA : site actif du complexe PMI-b-M6P • Proposition mécanistique • Conclusion et perspectives

3. Inhibiteurs Compétitifs Analogues de l'ET ou d'IHE • synthèse des inhibiteurs potentiels • extraction/purification des enzymes • évaluation cinétique Aspects Thérapeutiques Potentiels Aspects Structuraux et Mécanistiques • Agents thérapeutiques • antiparasitaires • anticancéreux • antibactériens • Structures 3D complexes EI • nature du site actif • proposition de mécanismes • différences mécanistiques/structurales • aspect spécificité A. Contexte de l’étude 1. Les aldose-cétose isomérases • 25 enzymes référencées • structures, mécanismes inconnus • peu d’inhibiteurs connus efficaces • non-considérées comme cibles thérapeutiques

4. A. Contexte de l’étude 2. Stratégie développée 2.1-Inhibiteurs analogues d’IHE/ET 2.2-Inhibiteurs phosphomimes analogues d’IHE/ET ou de substrats

5. A. Contexte de l’étude 3. Inhibition des PGI et PMI par le 5PAH PGI : PMI : KM/Ki enzyme KM(µM) Ki (µM) 512 1163 RmPGI YPMI 100 100 0.195 0.137 Rm : Rabbit muscle, Y : yeast J. Enzyme Inhib. Med. Chem.2000 Biochemistry2004

6. A. Contexte de l’étude 4. Structure cristalline du complexe RmPGI-5PAH (en collaboration avec l'équipe du Pr. Jeffery, Chicago) PDB 1KOJ 5PAH

7. A. Contexte de l’étude 4. Structure cristalline du complexe RmPGI-5PAH (en collaboration avec l'équipe du Pr. Jeffery, Chicago) -identification du site actif -mécanisme détaillé : * ouverture de cycle * transfert de H+ entre C1 et C2 * transfert de H+ entre O1 et O2 -importance OPO32- 5PAH Biochemistry 2001 ; Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002

8. His113 Gln111 Glu113 Zn Wat798 His285 B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 1. Structure 3D par diffraction des RX de CaPMI • métalloprotéine à zinc (PMI de type I) • une seule structure 3D connue (sans substrat ni inhibiteur au site actif) mécanisme détaillé inconnu His113 Gln111 Glu113 Wat798 His285 PDB 1PMI [Cleasby, 1996]

9. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 1. Structure 3D par diffraction des RX de CaPMI • métalloprotéine à zinc (PMI de type I) • une seule structure 3D connue (sans substrat ni inhibiteur au site actif) mécanisme détaillé inconnu Biochemistry2004

10. SIBFA : « Sum of Interactions Between Fragments Ab initio » computed • Méthode de mécanique moléculaire polarisableformulée et calibrée sur la base de calculs quantiques ab initio • Prise en compte des interactions électrostatiques intra- et intermoléculaires : complexes métalliques et complexes enzyme-inhibiteur B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 2. SIBFA : introduction • Complexes PMI-inhibiteur : • Cristallographie/diffraction des RX C. J. Jeffery (UIC-USA) • Modélisation moléculaire des protéinesN. Gresh (Univ Paris Descartes)   Procédure « SIBFA » • Précision calculs SIBFA ~ ab initio • Calculs possibles sur macrosystèmes > 200 atomes (≠ ab initio) • Temps de calcul SIBFA << temps de calcul ab initio

11. 2. SIBFA : introduction SIBFA : « Sum of Interactions Between Fragments Ab initio » computed • Exemple : reconstitution de la chaîne Asn15-Gly19 de CaPMI : Tyr16 Trp18 Asn15 Asp17 Gly19 • Pour chaque fragment constitutif, les données suivantes sont connues : • -coordonnées internes • -multipôles distribués • -polarisabilités

12. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 2. SIBFA : introduction SIBFA : « Sum of Interactions Between Fragments Ab initio » computed Eint = EMTP + Erep + Epol + Ect + Edisp * Eint : énergie d’interaction * EMTP : contribution électrostatique multipolaire * Erep : répulsion à courte portée * Epol : énergie de polarisation * Ect : transfert de charge * Edisp : énergie de dispersion DEint = Eintcomplexe – (Eintenzyme + Eintinhibiteur) DEint comprend également un terme DGsolv dû à la solvation des molécules

13. 15 Å -CaPMI : 440 aminoacides ! -CaPMI réduite : sélection des aa dans un rayon de 15 Å autour du zinc B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 3. SIBFA : PMI de C. albicans PDB 1PMI [Cleasby, 1996]

14. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 3. Etude SIBFA de la PMI de C. albicans Asn15-Gly19

15. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 3. Etude SIBFA de la PMI de C. albicans Asn15-Gly19 Tyr46-His54

16. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 3. Etude SIBFA de la PMI de C. albicans Asn15-Gly19 Tyr46-His54 Phe97-Lys153

17. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 3. Etude SIBFA de la PMI de C. albicans Asn15-Gly19 Tyr46-His54 Phe97-Lys153 Val205-Asn211

18. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 3. Etude SIBFA de la PMI de C. albicans Asn15-Gly19 Tyr46-His54 Phe97-Lys153 Val205-Asn211 Gly258-Met333

19. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 3. Etude SIBFA de la PMI de C. albicans Asn15-Gly19 Tyr46-His54 Phe97-Lys153 Val205-Asn211 Gly258-Met333 Asp352-Leu361

20. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 3. Etude SIBFA de la PMI de C. albicans Asn15-Gly19 Tyr46-His54 Phe97-Lys153 Val205-Asn211 Gly258-Met333 Asp352-Leu361 -CaPMI réduite : 6 chaînes, 164 aminoacides, 732 fragments, 7873 centres -CaPMI réduite minimisée par SIBFA~ identique CaPMI réduite originale

21. A. CaPMI-5PAH/Zn B. CaPMI-Zn/5PAH DEint= -33.8 kcal/mol DEint = +19.2 kcal/mol D. CaPMI-Zn/5PAA C. CaPMI-5PAA/Zn DEint= +57.9 kcal/mol DEint= -5.4 kcal/mol B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 4. SIBFA : complexes CaPMI-5PAH vs CaPMI-5PAA 5PAH> 5PAA et -CONHO-/Zn (-COO-/Zn) > -OPO32-/Zn J. Comput. Chem.2007

22. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 5. SIBFA : site actif du complexe CaPMI-5PAH pKa = -7.0 PROPKA pKa = 7.6 Zn pencoordonné ; 5PAH monodenté au Zn ; Lys136-NH2 base catalytique ? Proteins 2011; J. Phys. Chem. B 2011

23. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 6. SIBFA : site actif du complexe CaPMI-b-M6P b-M6P = substrat + H2O nécessaire entre Zn et b-M6P Bioorg. Med. Chem. 2009; Proteins 2011

24. B. Etude structurale théorique de la PMI de C. albicans 7. Proposition mécanistique : PMI de type I Etape d’isomérisation du M6P linéaire : Proteins 2011

25. Conclusions et perspectives 5PAH : seul inhibiteur actuel analogue de l’IHE/ET des PMIs Modèles SIBFA en accord avec études cinétiques 5PAHest monocoordonné au Zn par la fonction –CONHOH Identification des aa du site actif et proposition d’un mécanisme • SIBFA : PMI humaine … (N. Gresh) • SIBFA : Inhibiteurs spécifiques de CaPMI (C. d’Enfert/N. Gresh) • Bithérapie anti-infectieuse « inhibiteur non-spécifique + d-mannose » • Substituts de sucres + mimes de phosphate : une approche de type « fragment-based drug design » (ICSN)

26. Les acteurs de la recherche • Thèses : • Renaud Hardré • Céline Roux • Johanna Foret • Stéphanie Courtiol-Legourd • Centres de calcul : • CINES (Montpellier) • IDRIS (Orsay) • CRIHAN (Rouen) • Cristallographie de la PGI : • C. J. Jeffery • D. Arsenieva • Etudes SIBFA de la PMI de C. albicans : • N. Gresh • J.-P. Piquemal • B. de Courcy Merci à toutes et à tous...