Structure-based analysis of the ultraspiracle protein and docking studies of putative ligands

The ultraspiracle protein (USP) is the insect ortholog of the mammalian retinoid X receptor (RXR). Fundamental questions concern the functional role of USP as the heterodimerization partner of insect nuclear receptors such as the ecdysone receptor. The crystallographic structures of the ligand binding domain of USPs of Heliothis virescens and Drosophila melanogaster solved recently show that helix 12 is locked in an antagonist conformation raising the question whether USPs could adopt an agonist conformation as observed in RXRα. In order to investigate this hypothesis, a homology model for USP is proposed that allows a structural analysis of the agonist conformation of helix 12 based on the sequence comparison with RXR. For USP, one of the main issues concerns its function and in particular whether its activity is ligand independent or not. The x-ray structures strongly suggest that USP can bind ligands. Putative ligands have therefore been docked in the USP homology model. Juvenile hormones and juvenile hormone analogs were chosen as target ligands for the docking study. The interaction between the ligand and the receptor are examined in terms of the pocket shape as well as in terms of the chemical nature of the residues lining the ligand binding cavity

Estrogen receptor transcription and transactivation: Structure-function relationship in DNA- and ligand-binding domains of estrogen receptors

Estrogen receptors are members of the nuclear receptor steroid family that exhibit specific structural features, ligand-binding domain sequence identity and dimeric interactions, that single them out. The crystal structures of their DNA-binding domains give some insight into how nuclear receptors discriminate between DNA response elements. The various ligand-binding domain crystal structures of the two known estrogen receptor isotypes (α and β) allow one to interpret ligand specificity and reveal the interactions responsible for stabilizing the activation helix H12 in the agonist and antagonist positions

Logiciels infographiques de modelisation moleculaire : application a l'etude statique et dynamique d'un recepteur macrocyclique

SIGLECNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Application de la théorie des formes alpha pour la caractérisation de la surface et des poches de macromolécules biologiques

Notre travail s'inscrit dans le cadre le la bioinformatique structurale, et plus spécifiquement à l'interface entre biologie structurale et géométrie algorithmique, dont nous empruntons les constructions issues de la théorie des formes alphas pour représenter et étudier les molécules. L'objectif global de notre travail est de proposer de nouveaux outils théoriques et pratiques destinés à favoriser l'étude de la relation structure-fonction des macromolécules biologiques; et nous nous intéressons plus particulièrement à caractériser les lieux d'une intéraction possible à la surface de ces molécules.Dans le cadre de cette étude nous proposons un nouveau modèle, la surface duale, un encodage variété de la combinatoire de la surface accessible qui favorise le parcours de cette dernière et permettant notamment de constituer des voisinages d'atomes à la surface de la molécule.Nous avons utilisé ce modèle dans l'ensemble de nos travaux, qui peuvent être décomposés selon trois axes : (a) une caractérisation topographique de la surface moléculaire au travers d'une mesure d'incurvation permettant d'y définir des zones protrudentes et des zones anfractuées, (b) la définition de propriétés utilisables dans le cadre d'une caractérisation et d'une prédiction des surfaces d'interaction entre protéines, (c) la détection et la caractérisation des poches, crevasses et cavités dans les macromolécules biologiques.Nos travaux ont été mis en pratiques dans deux logiciels mis à disposition de la communauté scientifique : LC et Pck, respectivement pour la description topographique de la surface moléculaire et pour la détection et la caractérisation des poches dans les macromolécules biologiques.Our study is concerned with structural bioinfomatics (aka computational biology), more specifically, we borrow models from the alpha-shape theory to represent and study molecules. Roughly, our aim is to provide new theoretical and practical tools to ease the study of structure-function relationship in biological molecules. We are more specifically interested in characterising the usual locations of a possible interaction at the surface of such molecules. In this context we propose a novel model, the dual surface, that constitutes a manifold polyhedral surface encoding the Accessible surface. This construction eases the the construction of continuous surface tracks at the surface of a molecule, and therefore allows notably, the construction of molecular surface patches. We adapted this model mainly to address three distinct problems : (a) the proposal of a novel index to describe the molecular surface landscape in terms of knobs and clefts, (b) the definition of surface descriptors that can be used to study interacting patches on a protein surface, (c) the detection and characterisation of cavities, pockets, clefts and crevices at the surface of macromolecules. Two software tools were developped based on these works and are now freely accessible to the scientific community : LC and Pck, respectively dedicated to the description of the molecular surface topography, and to the detection and characterisation of pockets in molecular structures.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Analyse et exploitation de données de criblages de réactions chimiques pour la recherche de voies de synthèse

Les bases de données en chimie sont généralement centrées sur les molécules et les informations concernant les réactions sont extraites des publications scientifiques. Ces informations sont généralement disponibles dans des conditions expérimentales particulières et peu de données sont disponibles au sujet des réactions à faible rendement ou qui n ont pas fonctionnées. En conséquence il peut être difficile de comparer les réactions et les transformations chimiques entre elles en raison de ces conditions expérimentales spécifiques et de ces données manquantes. Cette thèse a été financée par la société NovAlix (CIFRE), spécialisée en chimie organique et en biologie structurale. Afin d explorer rapidement l espace chimique et d améliorer le processus de synthèse de molécules, deux méthodes d expérimentation à haut débit ont été mises au point au sein de la société. Ces méthodes s appuient sur la chromatographie en phase gazeuse et sur la spectrométrie de masse pour l analyse des milieux réactionnels. La plate-forme informatique Magellan développée au cours de cette thèse est mise en œuvre grâce aux technologies Java Enterprise Edition et s appuie sur une base de donnée centrée autour de la réaction chimique. Cet application permet la lecture, l analyse et le stockage des données expérimentales récoltées par les méthodes d expérimentation à haut débit de NovAlix et fournit des outils informatiques facilitant l analyse des spectres expérimentaux et permettant la formulation de requêtes sur les expériences ainsi enregistrées.Chemistry databases are centered on chemicals and their reaction data is extracted from scientific literature. They are usually given in non-standardized conditions and in general nothing is available about reactions that did not occur or exhibit a low yield. Thus, it can be difficult to compare reactions and chemical transformations because of the specific experimental conditions and the missing data. This thesis has been funded by NovAlix (CIFRE), a company specialized in organic chemistry synthesis and structural biology. In order to explore the chemical space and improve the chemical synthesis process, two high-throughput reactions screening methods using gas chromatography and mass spectrometry have been set up in NovAlix. The Magellan information system developed during this thesis use a chemical reaction-centric database and is built on Java Enterprise Edition open-source technologies. It allows collecting high-throughput data from mass spectrometry and gas chromatography experimentations realized in standardized conditions. Then, the Magellan application enables the chemist to read and store experimental results, provides tools to help data analysis and query the collected data via a rich-client user interface.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Évaluation des protéines kinases en tant que cibles thérapeutiques (application à la conception rationnelle d'inhibiteurs allostériques covalents)

Les protéines kinases sont l une des familles de cibles thérapeutiques les plus étudiées par l industrie pharmaceutique. Elles représentent pourtant un défi majeur car beaucoup d inhibiteurs de kinases sont rejetés des phases cliniques, pour des problèmes de sélectivité ou par manque d efficacité. Le succès récent d inhibiteurs covalents de la kinase EGFR laisse à penser que cette nouvelle génération d inhibiteurs peut résoudre les problèmes précités, en réagissant avec une cystéine peu conservée du site de liaison de l ATP, ce qui leur confère une très bonne affinité. Afin d évaluer l étendue des opportunités pour la conception d inhibiteurs covalents adressant d autres membres de la famille, nous avons voulu identifier en automatique les kinases humaines disposant d une cystéine accessible dans leur site de liaison. Puisque la forme de ce site dépend de la conformation adoptée, nous avons procédé à une étude préliminaire consistant à distinguer les diverses conformations adoptées parmi l ensemble des structures 3D de kinases disponibles. Une fois ces résultats obtenus, nous avons conçu un inhibiteur susceptible d inactiver la kinase KIT de manière covalente en réagissant avec une cystéine faiblement conservée et qui n est accessible que lorsque KIT adopte la conformation inactive DFG out . La liaison covalente entre notre inhibiteur et KIT a été validée par spectrométrie de masse. Des tests d activité sur l ensemble des kinases ont confirmé l affinité de cet inhibiteur pour KIT et son très bon profil de sélectivité. De fait, ce travail constitue un référentiel pour la conception d une nouvelle génération d inhibiteurs de kinases hautement efficaces et sélectifs.The protein kinase family is one of the most pursued classes of therapeutic targets in the pharmaceutical industry. It is also one of the most challenging families since many kinase inhibitors are rejected from clinical trials, because of either selectivity problems or a lack of efficacy. The recent success of a few covalent inhibitors of EGFR kinase indicates that this new generation of inhibitors could solve both of these problems at the same time, by reacting with an unconserved cysteine residue of the ATP binding site using an electrophilic group attached to the ligand, and providing high affinity. In order to investigate the opportunities for the design of covalent inhibitors addressing other members of the kinase family, our main focus consisted in automatically identifying all human kinases bearing a reactive cysteine in their binding site. Since the shape of the binding site depends on the kinase conformation, we performed a preliminary study to distinguish the different adopted conformations among all the available kinase 3D structures. With our results in hand, we designed a inhibitor liable to covalently bind and inactivate KIT kinase by reacting with a cysteine residue specific to a small kinase subset and accessible only in the inactive DFG out kinase conformation that KIT can adopt. The covalent bond between our inhibitor and KIT was confirmed by mass spectrometry. Activity assays on a large panel of kinases confirmed the affinity of this inhibitor for KIT and its very good selectivity profile. Finally, this work gives insights on how to design a new generation of highly selective and efficient kinase inhibitors.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Crystal structures of the vitamin D nuclear receptor liganded with the vitamin D side chain analogues calcipotriol and seocalcitol, receptor agonists of clinical importance. Insights into a structural basis for the switching of calcipotriol to a receptor antagonist by further side chain modification

The plethora of actions of 1alpha,25(OH)(2)D(3) in various systems suggested wide clinical applications of vitamin D nuclear receptor (VDR) ligands in treatments of inflammation, dermatological indication, osteoporosis, cancers, and autoimmune diseases. More than 3000 vitamin D analogues have been synthesized in order to reduce the calcemic side effects while maintaining the transactivation potency of these ligands. Here, we report the crystal structures of VDR ligand binding domain bound to two vitamin D agonists of therapeutical interest, calcipotriol and seocalcitol, which are characterized by their side chain modifications. These structures show the conservation of the VDR structure and the adaptation of the side chain anchored by hydroxyl moieties. The structure of VDR-calcipotriol helps us to understand the structural basis for for the switching of calcipotriol to a receptor antagonist by further side chain modification. The VDR-seocalcitol structure, in comparison with the structure of VDR-KH1060, a superagonist ligand closely related to seocalcitol, shows adaptation of the D ring and position of C-21 in order to adapt its more rigid side chain

Cysteine Mapping in Conformationally Distinct Kinase Nucleotide Binding Sites: Application to the Design of Selective Covalent Inhibitors

Kinases have emerged as one of the most prolific therapeutic targets. An important criterion in the therapeutic success of inhibitors targeting the nucleotide binding pocket of kinases is the inhibitor residence time. Recently, covalent kinase inhibitors have attracted attention since they confer terminal inhibition and should thus be more effective than reversible inhibitors with transient inhibition. The most robust approach to design irreversible inhibitors is to capitalize on the nucleophilicity of a cysteine thiol group present in the target protein. Herein, we report a systematic analysis of cysteine residues present in the nucleotide binding site of kinases, which could be harnessed for irreversible inhibition, taking into consideration the different kinase conformations. We demonstrate the predictive power of this analysis with the design and validation of an irreversible inhibitor of KIT/PDGFR kinases. This is the first example of a covalent kinase inhibitor that combines a pharmacophore addressing the DFG-out conformation with a covalent trap