Analysis of complex systems by polarizable molecular dynamics, towards a rational drug design : from Guanine quadruplexes to SARS-CoV-2

Abstract

La conception de nouvelles molécules thérapeutiques in silico nécessite une compréhension fine de la dynamique structurale des protéines et des acide nucléiques cibles. Les objectifs de cette thèse sont d'appliquer les techniques de dynamique moléculaire couplées aux champs de forces polarisables à des systèmes biologiques complexes d'importance primordiale dans le cadre d'une conception rationnelle de médicaments anti-cancéreux et anti-viraux (mise au point d'inhibiteurs). Nous avons choisi d'étudier les quadruplexes de Guanine (GQ) au niveau du proto-oncogène c-kit 1 et de la région LTR-III du VIH-1 ainsi que la protéase principale (Mpro) du SARS-CoV-2. En effet, ces complexes moléculaires cibles présentent un fort intérêt biologique et médical du fait de leur implication dans des maladies graves : le cancer, le SIDA et le Covid-19. Les structures GQ sont considérées comme des cibles thérapeutiques émergentes vue que la répression transcriptionnelle des gènes par la stabilisation de ces structures pourrait être une nouvelle stratégie anti-cancéreuse et anti-virale. Par ailleurs, la Mpro, joue un rôle essentiel dans le cycle de vie et la réplication du SARS-CoV-2. Alors que cette protéase n'a pas d'homologue humain, il s'agit d'une cible anti-virale intéressante. Grâce aux avancés technologiques développées au sein de notre Laboratoire, tant au niveau informatique qu'au niveau des techniques d'échantillonnage accéléré en dynamique moléculaire basée sur la PCA, nous avions la possibilité d'effectuer plusieurs µs de simulations en dynamique moléculaire à haute-résolution sur des systèmes de grande taille en solvant explicite et avec un champ de forces polarisable permettant d'obtenir une haute précision dans la prédiction des conformations possibles des systèmes étudiés. Ceci nous a permis d'étudier finement la dynamique moléculaire de la protéase principale, Mpro du SARS-CoV-2 et des quadruplexes de guanine trouvés dans le promoteur de c-kit 1 et au niveau de la région LTR-III du VIH-1. Les marqueurs structurels clés liés à la stabilité des trous oxyanioniques de la Mpro révèlent une asymétrie entre les protomères. Les résultats mettent en évidence la plasticité du site actif et la présence des poches cryptiques. L'analyse des schémas de solvatation au niveau du site actif et de la région de dimérisation démontre que les molécules d'eau polarisables AMOEBA confinées sont capables d'explorer une large gamme de moments dipolaires, conduisant à un nombre de molécules d'eau cohérent avec les données expérimentales. Les données montrent l'impact de la protonation sur la déstructuration de la boucle oxyanionique et de l'interface de dimérisation. Sept clusters stables ont été identifiés au cours de MD du GQ de c-kit 1 par l'analyse tICA, où la stabilité des trois tétrades de guanine empilées et de la longue boucle d'hélice ont été mises en évidence. Cependant la flexibilité des deux boucles mononucléotidiques et d'une boucle dinucléotidique a été analysée en surveillant les distances inter-bases pertinentes, deux angles de torsion clés, ? et ?, et les indices d'empilement ?-?. Deux poches cryptiques stables ont été identifiées dans les sept clusters, dont les sillons pourraient servir de sites de liaison pour les ligands pharmacologiques. Une simulation CMD préliminaire sur la structure GQ au niveau de la LTR-III du VIH-1 a ensuite été effectuée. Deux poches cryptiques ont également été identifiées à son issue, mais leurs conformations diffèrent significativement de celles des poches c-kit 1, et seule la première s'est avérée possiblement viable pour la conception de ligands. Les travaux effectués dans cette thèse suggèrent que l'utilisation de PFF pourrait être critique dans la découverte de médicaments pour modéliser avec précision la complexité des interactions moléculaires. Les résultats offrent aux concepteurs de ligands thérapeutiques des modèles d'espaces conformationnels à très haute précision allant des quadruplexes [...]In silico design of new therapeutic molecules requires a detailed understanding of the structural dynamics of target proteins and nucleic acids. The objectives of this thesis are to apply molecular dynamics techniques coupled to polarizable force fields to complex biological systems of paramount importance within the framework of a rational design of anti-cancer and anti-viral drugs (inhibitors development). We chose to study Guanine quadruplexes (GQ) present at the level of c-kit 1 proto-oncogene and HIV-1 LTR-III as well as the main protease (Mpro) of SARS-CoV-2. Indeed, these target molecular complexes are of great biological and medical interest due to their involvement in serious diseases: cancer, AIDS and Covid-19. GQ structures are considered as emerging therapeutic targets as the transcriptional repression of genes by stabilizing these structures could be a new anti-cancer and anti-viral strategy. In addition, Mpro plays an essential role in the life cycle and replication of SARS-CoV-2. While this protease does not have a human homolog, it is an interesting anti-viral target. Thanks to the technological advances developed within our Laboratory, both at the computational level and at the level of accelerated sampling techniques in molecular dynamics based on PCA, we had the possibility to perform several µs of simulations in High-resolution molecular dynamics on large systems in explicit solvent and with a polarizable force field allowing to obtain a high precision in the prediction of the possible conformations of the studied systems. This allowed us to study the molecular dynamics of the main protease, Mpro of SARS-CoV-2 and of the guanine quadruplexes found in c-kit 1 promoter and HIV-1 LTR-III. The key structural markers related to the stability of the oxyanion holes of the Mpro reveal asymmetry between the protomers. The results highlight the plasticity of the active site and the presence of cryptic pockets. Analysis of solvation patterns at the active site and dimerization region demonstrates that confined AMOEBA polarizable water molecules are able to explore a wide range of dipole moments, leading to a consistent water molecule number with respect to experimental data. The data show the impact of protonation on the destructuring of the oxyanionic loop and the dimerization interface. Seven stable clusters were identified during MD of c-kit 1 GQ by tICA analysis, where the stability of the three stacked guanine tetrads and the long propeller loop were demonstrated. However the flexibility of the two single-nucleotide loops and one dinucleotide loop was analyzed by monitoring relevant inter-base distances, two key torsion angles, ? and ?, and ?-? stacking index. Two stable cryptic pockets were identified in the seven clusters, the grooves of which could serve as binding sites for pharmacological ligands. A preliminary CMD simulation on the GQ structure at the level of HIV-1 LTR-III was then performed. Two cryptic pockets have also been identified at its outcome, but their conformations differ significantly from those of c-kit 1 pockets, and only the former has been shown to be possibly viable for ligand design. The work done in this thesis suggests that the use of PFF could be critical in drug discovery to accurately model the complexity of molecular interactions. The results provide designers of therapeutic ligands with very high precision conformational space models ranging from Guanine quadruplexes to SARS-CoV-2 proteins