Développement, validation et nouvelles applications d’un modèle d’analyse des modes normaux basé sur la séquence et la structure de protéines

Les protéines existent sous différents états fonctionnels régulés de façon précise par leur environnement afin de maintenir l‘homéostasie de la cellule et de l‘organisme vivant. La prévalence de ces états protéiques est dictée par leur énergie libre de Gibbs alors que la vitesse de transition entre ces états biologiquement pertinents est déterminée par le paysage d‘énergie libre. Ces paramètres sont particulièrement intéressants dans un contexte thérapeutique et biotechnologique, où leur perturbation par la modulation de la séquence protéique par des mutations affecte leur fonction. Bien que des nouvelles approches expérimentales permettent d‘étudier l‘effet de mutations en haut débit pour une protéine, ces méthodes sont laborieuses et ne couvrent qu‘une fraction de l‘ensemble des structures primaires d‘intérêt. L‘utilisation de modèles bio-informatiques permet de tester et générer in silico différentes hypothèses afin d‘orienter les approches expérimentales. Cependant, ces méthodes basées sur la structure se concentrent principalement sur la prédiction de l‘enthalpie d‘un état, alors que plusieurs évidences expérimentales ont démontré l‘importance de la contribution de l‘entropie. De plus, ces approches ignorent l‘importance de l‘espace conformationnel protéique dicté par le paysage énergétique cruciale à son fonctionnement. Une analyse des modes normaux peut être effectuée afin d‘explorer cet espace par l‘approximation que la protéine est dans une conformation d‘équilibre où chaque acide aminé est représenté par une masse régie par un potentiel harmonique. Les approches actuelles ignorent l‘identité des résidus et ne peuvent prédire l‘effet de mutations sur les propriétés dynamiques. Nous avons développé un nouveau modèle appelé ENCoM qui pallie à cette lacune en intégrant de l‘information physique et spécifique sur les contacts entre les atomes des chaînes latérales. Cet ajout permet une meilleure description de changements conformationnels d‘enzymes, la prédiction de l‘effet d‘une mutation allostérique dans la protéine DHFR et également la prédiction de l‘effet de mutations sur la stabilité protéique par une valeur entropique. Comparativement à des approches spécifiquement développées pour cette application, ENCoM est plus constant et prédit mieux l‘effet de mutations stabilisantes. Notre approche a également été en mesure de capturer la pression évolutive qui confère aux protéines d‘organismes thermophiles une thermorésistance accrue

Simple scoring system to predict in-hospital mortality after surgery for infective endocarditis

BACKGROUND: Aspecific scoring systems are used to predict the risk of death postsurgery in patients with infective endocarditis (IE). The purpose of the present study was both to analyze the risk factors for in-hospital death, which complicates surgery for IE, and to create a mortality risk score based on the results of this analysis. METHODS AND RESULTS: Outcomes of 361 consecutive patients (mean age, 59.1\ub115.4 years) who had undergone surgery for IE in 8 European centers of cardiac surgery were recorded prospectively, and a risk factor analysis (multivariable logistic regression) for in-hospital death was performed. The discriminatory power of a new predictive scoring system was assessed with the receiver operating characteristic curve analysis. Score validation procedures were carried out. Fifty-six (15.5%) patients died postsurgery. BMI >27 kg/m2 (odds ratio [OR], 1.79; P=0.049), estimated glomerular filtration rate 55 mm Hg (OR, 1.78; P=0.032), and critical state (OR, 2.37; P=0.017) were independent predictors of in-hospital death. A scoring system was devised to predict in-hospital death postsurgery for IE (area under the receiver operating characteristic curve, 0.780; 95% CI, 0.734-0.822). The score performed better than 5 of 6 scoring systems for in-hospital death after cardiac surgery that were considered. CONCLUSIONS: A simple scoring system based on risk factors for in-hospital death was specifically created to predict mortality risk postsurgery in patients with IE

Développement, validation et nouvelles applications d’un modèle d’analyse des modes normaux basé sur la séquence et la structure de protéines

Les protéines existent sous différents états fonctionnels régulés de façon précise par leur environnement afin de maintenir l‘homéostasie de la cellule et de l‘organisme vivant. La prévalence de ces états protéiques est dictée par leur énergie libre de Gibbs alors que la vitesse de transition entre ces états biologiquement pertinents est déterminée par le paysage d‘énergie libre. Ces paramètres sont particulièrement intéressants dans un contexte thérapeutique et biotechnologique, où leur perturbation par la modulation de la séquence protéique par des mutations affecte leur fonction. Bien que des nouvelles approches expérimentales permettent d‘étudier l‘effet de mutations en haut débit pour une protéine, ces méthodes sont laborieuses et ne couvrent qu‘une fraction de l‘ensemble des structures primaires d‘intérêt. L‘utilisation de modèles bio-informatiques permet de tester et générer in silico différentes hypothèses afin d‘orienter les approches expérimentales. Cependant, ces méthodes basées sur la structure se concentrent principalement sur la prédiction de l‘enthalpie d‘un état, alors que plusieurs évidences expérimentales ont démontré l‘importance de la contribution de l‘entropie. De plus, ces approches ignorent l‘importance de l‘espace conformationnel protéique dicté par le paysage énergétique cruciale à son fonctionnement. Une analyse des modes normaux peut être effectuée afin d‘explorer cet espace par l‘approximation que la protéine est dans une conformation d‘équilibre où chaque acide aminé est représenté par une masse régie par un potentiel harmonique. Les approches actuelles ignorent l‘identité des résidus et ne peuvent prédire l‘effet de mutations sur les propriétés dynamiques. Nous avons développé un nouveau modèle appelé ENCoM qui pallie à cette lacune en intégrant de l‘information physique et spécifique sur les contacts entre les atomes des chaînes latérales. Cet ajout permet une meilleure description de changements conformationnels d‘enzymes, la prédiction de l‘effet d‘une mutation allostérique dans la protéine DHFR et également la prédiction de l‘effet de mutations sur la stabilité protéique par une valeur entropique. Comparativement à des approches spécifiquement développées pour cette application, ENCoM est plus constant et prédit mieux l‘effet de mutations stabilisantes. Notre approche a également été en mesure de capturer la pression évolutive qui confère aux protéines d‘organismes thermophiles une thermorésistance accrue

Data-driven computational protein design

Computational protein design can generate proteins not found in nature that adopt desired structures and perform novel functions. Although proteins could, in theory, be designed with ab initio methods, practical success has come from using large amounts of data that describe the sequences, structures, and functions of existing proteins and their variants. We present recent creative uses of multiple-sequence alignments, protein structures, and high-throughput functional assays in computational protein design. Approaches range from enhancing structure-based design with experimental data to building regression models to training deep neural nets that generate novel sequences. Looking ahead, deep learning will be increasingly important for maximizing the value of data for protein design.National Institutes of Health (Award R01GM132117

A Coarse-Grained Elastic Network Atom Contact Model and Its Use in the Simulation of Protein Dynamics and the Prediction of the Effect of Mutations

<div><p>Normal mode analysis (NMA) methods are widely used to study dynamic aspects of protein structures. Two critical components of NMA methods are coarse-graining in the level of simplification used to represent protein structures and the choice of potential energy functional form. There is a trade-off between speed and accuracy in different choices. In one extreme one finds accurate but slow molecular-dynamics based methods with all-atom representations and detailed atom potentials. On the other extreme, fast elastic network model (ENM) methods with C_α−only representations and simplified potentials that based on geometry alone, thus oblivious to protein sequence. Here we present ENCoM, an Elastic Network Contact Model that employs a potential energy function that includes a pairwise atom-type non-bonded interaction term and thus makes it possible to consider the effect of the specific nature of amino-acids on dynamics within the context of NMA. ENCoM is as fast as existing ENM methods and outperforms such methods in the generation of conformational ensembles. Here we introduce a new application for NMA methods with the use of ENCoM in the prediction of the effect of mutations on protein stability. While existing methods are based on machine learning or enthalpic considerations, the use of ENCoM, based on vibrational normal modes, is based on entropic considerations. This represents a novel area of application for NMA methods and a novel approach for the prediction of the effect of mutations. We compare ENCoM to a large number of methods in terms of accuracy and self-consistency. We show that the accuracy of ENCoM is comparable to that of the best existing methods. We show that existing methods are biased towards the prediction of destabilizing mutations and that ENCoM is less biased at predicting stabilizing mutations.</p></div