Modélisation mésoscopique des biopolymères

L’équipe de Modélisation Mésoscopique des Biopolymères du Laboratoire Jean Perrin étudie des sujets de recherche liés à la modélisation structurale, bioinformatique ou cinétique des molécules. 

On peut les classer en deux types d’activité :

Biologie et modélisation en collaboration

Le premier type d’activité concerne des sujets biologiques en collaboration avec des équipes locales ou extérieures pour lesquels les molécules jouent un rôle complexe très important, mais mal identifié. Nous présentons ici quatre exemples très différents qui ont donné lieu à des publications :

Le ribosome n'est pas un ribozyme

La problématique de ce sujet en cours d’étude est le cœur d’assemblage de la chaîne peptidique dans le ribosome : chez les procaryotes avec bL12 (E. coli), et chez les Eucaryotes avec eL42 (Schizosaccharomyces pombe).

EN SAVOIR PLUS

Le ribosome est un assemblage complexe extraordinaire d'ARN et de protéines capables de traduire une séquence d'ARN messager en une chaîne protéique. En 2009, le prix Nobel de chimie a récompensé les magnifiques résolutions de la structure des ribosomes à l'échelle atomique. La catalyse de la formation des chaînes peptidiques doit avoir lieu non loin de l'aminoacyl-ARNt et du tunnel de sortie de la chaîne peptidique, c'est-à-dire dans une région appelée Peptidyl Transferase Centre (PTC). Comme les protéines les plus proches sont à 18 Å du PTC, une hypothèse importante était que le ribosome est un ribozyme, c’est-à-dire un enzyme catalysé par l’ARN et non par une ou plusieurs protéines. Cependant, cette hypothèse largement répandue n'a pas pu être vérifiée expérimentalement. C’est un problème très important car le ribosome est la cible de plus de 50% des médicaments antibactériens connus et représente également une cible importante de traitements anticancéreux.

RÉSULTATS IMPORTANTS

C. Hountondji a utilisé le dérivé dialdéhyde de l'ARNt (ARNtox) pour transformer le site de liaison du bras CCA de l'ARNt en un marqueur d'affinité de protéines ribosomales. Il s’agit d’un marqueur d’affinité exceptionnel pour de nombreuses raisons: (i) la conversion du groupe diol 2', 3'-cis en diol 2', 3'-aldéhyde au niveau du ribose 3'-terminal de l'ARNt représente une légère modification qui n’affecte pas l'affinité de l'ARNt pour ses partenaires protéiques; (ii) les groupes aldéhyde forment quantitativement une liaison covalente avec les groupes amino des chaînes latérales de résidus lysyle ou arginyle; (iii) la formation d'un complexe protéine covalente-ARNtox est une réaction de marquage à distance nulle contrairement à la majorité des analogues d'ARNt réactifs; (iv) la réaction de réticulation a la stoechiométrie ARNt: protéine (1: 1), (v) le pK de la chaîne latérale d'aminoacide en réaction peut être mesuré en surveillant la réaction covalente en fonction du pH. 

Ce marqueur d'affinité remarquable montre que les protéines ribosomales L7L12 chez E. coli et eL42 chez la levure contribuent à l'activité catalytique du ribosome au PTC.

Plus généralement, ces protéines et le PTC ont été examinés avec des méthodes de génétique, d’alignements de séquence, de biologie moléculaire, de spectroscopie de masse, d’analyse de données, et de différentes modélisations.

Inhibiteur spécifique de STAT3

Propriétés spécifiques différentes de séquences d’ADN très semblables exploitées pour concevoir des inhibiteurs de STAT3 et non de STAT1 :

Il s’agissait de concevoir des séquences oligonucléotidiques pouvant bloquer STAT3 (Signal Transducer and Activator of Transcription 3) et donc induire la mort cellulaire, et n’interagissant pas avec STAT1 qui est indispensable, alors que leurs sites de reconnaissance sont très proches. Nous avons réussi à concevoir ces oligonucléotides inhibiteurs à partir des propriétés globales et locales des séquences d’ADN à reconnaître.

Propriétés photochimiques de séquences d’ADN

L’irradiation UV à 254 nm de séquences comportant deux thymines adjacentes empilées dans un double brin d’ADN entraîne la formation de photoproduits responsables de la mort cellulaire et du cancer de la peau. L’examen détaillé des dynamiques moléculaires permet de comprendre comment des molécules différentes peuvent néanmoins avoir des distributions de photoproduits très semblables, car, même si les géométries de ces molécules sont différentes, les géométries d’empilement restent semblables.

Deux stratégies de résistance de l'ARN

Analyse de PCR liées à des séquences d’ARN et d’ADN :

L’application d’une méthode SELEX pour rechercher des séquences d’ARN résistantes à des concentrations salines élevées (2M NaCl) à la température de 80°C pendant 65 h a conduit à la mise en évidence de deux familles I et II très différentes. I est beaucoup plus résistante à la dégradation thermique que II, tandis que II est répliquée de façon beaucoup plus efficiente. L’étude détaillée des PCR montre que les comportements des RT-PCR sont très différents pour ces deux familles de séquences, notamment pour des concentrations extrêmement faibles de molécules à amplifier.

Le projet "rubAN" : ruban d'Acides Nucléiques

Le second type d’activité a été mis en place en collaboration avec Sinan HALIYO (ISIR-UMR 7222, équipe Interaction) en nanorobotique, et Sébastien NEUKIRCH (Modélisation et Ingénierie des Solides et des Structures - UMR 7190).

Ce projet démarré en 2014 vise au calcul robuste de vrais rubans d’ADN ou d’ARN pour la modélisation moléculaire interactive à différentes échelles. Il constitue une réorientation majeure de nos recherches antérieures sur les biopolymères [Baouendi et al. 2012, et Santini et al. 2009] vers la mécanique et la théorie de l'élasticité des poutres. Il est à l’origine de la thèse d'Olivier Ameline. Olivier Ameline a réussi à classer pour la première fois toutes les conformations possibles des formes solides de poutres élastiques dans un demi espace tridimensionnel, et a mis en évidence 3 types de chiralité. À partir de cette étude fondamentale, il a réussi à établir un protocole et à écrire un programme informatique pour résoudre le problème du calcul des rubans à partir des contraintes d’encastrement [Ameline et al. 2017, 2018].

EN SAVOIR PLUS

Nous avons développé une approche de modélisation moléculaire appelée Biopolymer Chain Elasticity (BCE) : elle est fondée sur l’observation que la chaîne sucre-phosphate des AN se comporte aux échelles mésoscopiques comme une tige flexible. Nous avons mis au point un protocole pour la résolution de structure en épingle à cheveux d’ADN (voir image ci-dessous), avec lequel nous avons résolu la structure d’un aptamère anti-MUC1 [Baouendi et al. 2012]. Les résultats sont remarquables car les conformations correspondent à la fois à un minimum global, intermédiaire, et local, i.e. un minimum à l’échelle de la boucle de plusieurs nucléotides, du nucléotide dans la boucle, et de la liaison atomique [Baouendi et al. 2012, Santini et al. 2009].

PROJET

Notre objectif général est de développer un modèle innovant pour les biopolymères, les acides nucléiques (NA) et les protéines, où la chaîne macromoléculaire est représentée par une tige élastique en grande déformation. Ce modèle s’inspire des rubans, couramment utilisés en biologie pour identifier la structure géométrique d'une macromolécule. En superposant une poutre élastique sur ces rubans, et en utilisant la théorie de l’élasticité non-linéaire des poutres, nous souhaitons les utiliser non seulement pour visualiser la molécule, mais également pour décrire leurs propriétés géométriques, physiques et mécaniques. Nous abordons le problème sur deux échelles : (I) celle du squelette traité comme un objet géométrique et mécanique, et (II) celle des chaînes latérales, considérées comme des objets rigides articulés autour de leur point d’attache au squelette. Dès lors, un outil de simulation comportant de vrais rubans actifs pour la résolution des macromolécules est envisageable.

Membres

Chercheurs / Enseignants Chercheurs

Publications liées

Ribosome n'est pas un ribozyme 

« Affinity labeling in situ of the bL12 protein on E. coli 70S ribosomes by means of a tRNA dialdehyde derivative. » C. Hountondji et al., J. Biochem. (2017) 163, 437-448.

« Ribosomal protein eL42 contributes to the catalytic activity of the yeast ribosome at the elongation step of translation. » C. Hountondji et al., Biochimie (2018)

STAT3

 « A STAT3-inhibitory hairpin decoy oligodeoxynucleotide discriminates between STAT1 and STAT3 and induces death in a human colon carcinoma cell line.» Souissi et al.Molecular Cancer (2012) 11:12 

Propriétés photochimiques de séquences d'ADN

« Dinucleotide TpT and its 2'-O-Me analogue possess different backbone conformations and flexibilities but similar stacked geometries. » Santini et al., J. Phys. Chem. B (2007) 1119400-9409.

Deux stratégies de résistance de l'ARN

« In vitro selection of halo-thermophilic RNA reveals two families of resistant RNA. » Vergne et al.Gene (2006) 371, 182–193.

Le projet "rubAN" - Ruban d'acides nucléiques

« Solution structure of a truncated anti-MUC1 DNA aptamer determined by mesoscale modeling and NMR », Baouendi et al., The FEBS Journal (2012) 279, 479-490,

Nucleic acid folding determined by mesoscale modeling and NMR spectroscopy: solution structure of d(GCGAAAGC), Santini et al., J. Phys. Chem. B (2009), 113, 6881-6893.

Classifications of ideal 3D elastica shapes at equilibrium, O. Ameline, S. Haliyo, X. Huang, J.A.H. Cognet, J. Maths Phys. (2017) 58, 062902, 1-27,11,5. doi: 10.1063/1.4989556

Analytical expression of elastic rods at equilibrium under 3D strong anchoring boundary conditions, O. Ameline, S. Haliyo, X. Huang, J.A.H. CognetJournal of Computational Physics (2018) 373, 736-749.