Using the Voronoi tesselation for the modeling of protein-protein complexes
Utilisation de la tessellation de Voronoï pour l'étude des complexes protéine-protéine
Résumé
The function of a protein is often subordinated to its interaction with one or many partners. Yet, the tridimensional structure study of this complexes, that can't be done experimentally, would permit the understanding of many cellular processes. This work contains two parts. The first part concerns the setting up of a scoring function for protein-protein docking and the second part concerns the crystallographic structure study of a tetrameric protein : the Paramecium Bursaria Chlorella Virus thymidylate synthase X, a potential antibacterial target. Docking of protein-protein complexes consists in two successive steps : first a large number of putative conformations are generated, then a scoring function is applied to rank them. This scoring function has to take into account both geometric complementarity of the two molecules and physico-chemical properties of surfaces in interaction. We addressed the second step of this problem through the development of a quick and reliable scoring function. This was done using Voronoi tessellation of the tridimensional structure of the proteins. Voronoi or Laguerre tessellations were shown to be good mathematical models of protein structure. In particular, this formalization leads to a good description of structural properties of the residues. This modeling illustrates the packing of the residues at the interface between two proteins. Thus, it is possible to measure a set of parameters, on protein-protein complexes whose structure is known, and on decoys. These parameters are frequencies of residues and pair frequencies of the residues at the interface, volumes of Voronoi cells, distances between residues at the interface, interface area and number of residues at the interface. They were used as input in statistical machine learning procedures (logistic learning, support vector machines (SVM) and genetic algorithms). These led to efficient scoring functions, able to separate native structures from decoys. In the second part, I describe the experimental determination of thymidylate synthase X tridimensionnal structure, an interesting antibacterial target. Thymidylate synthase X is a flavoprotein discovered recently. It plays a key role in the synthesis of dTMP in most of the prokaryotic organisms, but does not exist in superior eukaryotic organisms. This protein catalyses the methyl transfer from tetrahydrofolate to dUMP using FAD as a cofactor and NADPH as substrate. The tridimensional structure of ThyX homotetramer with its cofactor, FAD, was solved at 2.4Å by molecular replacement. As shown in the Thermotoga maritima and Mycobacterium tuberculosis ThyX structures, the monomer contains a core of β sheets and two α helices at its extremity. The active site is at the interface between three monomers, the isoalloxazine part of FAD being accessible to the solvent and close to a long flexible loop. FAD binding in this structure is a little different from those already observed, especially its the adenine part. This structure, in association with directed mutagenesis experiments made by our collabora- tors, revealed residues playing a key role during the catalysis.
La fonction d'une protéine est souvent subordonnée à l'interaction avec un certain nombre de partenaires. L'étude de la structure tridimensionnelle de ces complexes, qui ne peut souvent se faire expérimentalement, permettrait la compréhension de nombreux processus cellulaires. Le travail présenté ici se compose de deux parties. La première traite de la mise en place d'une fonction de score pour l'amarrage protéine-protéine et la deuxième de l'étude cristallographique d'une protéine tétramérique qui est une cible antibiotique potentielle : la thymidylate synthase X de Paramecium bursaria Chlorella virus. La modélisation des complexes protéine-protéine ou docking comporte deux étapes successives : d'abord, un grand nombre de conformations sont générées, puis une fonction de score est utilisée pour les classer. Cette fonction de score doit prendre en compte à la fois la complémentarité géométrique des deux molécules et les propriétés physico-chimiques des surfaces en interaction. Nous nous sommes intéressés à la seconde étape à travers le développement d'une fonction de score rapide et fiable. Ceci est possible grâce à la tessellation de Voronoï de la structure tridimensionnelle des protéines. En effet, les tessellations de Voronoï ou de Laguerre se sont avérées être de bons modèles mathématiques de la structure des protéines. En particulier, cette formalisation permet de faire une bonne description de l'empilement et des propriétés structurales des résidus. Cette modélisation rend compte l'empilement des résidus à l'interface entre deux protéines. Ainsi, il est possible de mesurer un ensemble de paramètres sur des complexes protéine-protéine dont la structure est connue expérimentalement et sur des complexes leurres générés artificiel- lement. Ces paramètres, sont la fréquence d'apparition des résidus ou des paires de résidus, les volumes des cellules de Voronoï, les distances entre les résidus en contact à l'interface, la surface de l'interface et le nombre de résidus à l'interface. Ils ont été utilisés en entrée de procédures d'apprentissage statistique. Grâce à ces procédures (apprentissage logistique, séparateurs à vaste marge (SVM) et algorithmes génétiques), on peut obtenir des fonctions de score efficaces, ca- pables de séparer les leurres des structures réelles. Dans un deuxième temps, j'ai déterminé expérimentalement la structure de la thymidylate synthase X, cible antibiotique de choix. La thymidylate synthase X est une flavoprotéine qui a été découverte récemment. Elle intervient dans la synthèse du dTMP chez la plupart des procaryotes mais n'existe pas chez les eucaryotes supérieurs. Cette protéine catalyse le transfert de methyle du tétrahydrofolate vers le dUMP grâce à son cofacteur le FAD et au NADPH qui intervient comme substrat. La structure tridimensionnelle de l'homotétramère de la thymidylate synthase X en présence de son cofacteur, le FAD, a été résolue à 2.4 Å par remplacement moléculaire. Comme pour les structures de thymidylate synthase X de Thermotoga maritima et de Mycobacterium tuberculosis précédemment résolues, le monomère se compose d'un coeur de feuillets β et de deux hélices α à son extrémité. Le site actif se trouve à l'interface de trois monomères, la partie isoalloxazine du FAD étant accessible au solvant et proche d'une longue boucle flexible. La fixation du FAD dans cette structure est légèrement différente de celles déjà observées par la conformation de la partie adénine. Cette structure, associée aux études de mutagénèse dirigée de nos collaborateurs, a permis de mettre évidence des résidus jouant un rôle majeur lors de la catalyse.
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