Structural dynamics of acetylcholinesterase and its implications in reactivators design

par Gianluca Santoni

Thèse de doctorat en Physique pour les sciences du vivant

Sous la direction de Martin Weik et de Florian Nachon.

Soutenue le 30-01-2015

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut de biologie structurale (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre-Yves Renard.

Le jury était composé de Israel Silman, Yvain Nicolet, Jacques-Philippe Colletier.

Les rapporteurs étaient Yves Bourne, Etienne Derat.

  • Titre traduit

    Dynamique structurale de l'acetylcholinesterase et ses implications dans la conception de réactivateurs


  • Résumé

    L’acétylcholinestérase (AChE), une des enzymes les plus rapides dans la nature, est lacible d’un large nombre de toxiques, dont notamment les neurotoxiques organophosphorés.La première partie de ce manuscrit de thèse décrit le développement raisonné d’un nouveauréactivateur, qui présente des propriétés de réactivation supérieures aux moléculesactuellement sur le marché. Les interactions entre cette molécule, KM297, et l’AChE ontété étudiées par dynamique moléculaire, docking et cristallographie aux rayons X. La connaissancedes modes de liaison du KM297 dans l’AChE native ou inhibé par un OP ontpermis de développer la molécule JDS207, qui se lie de façon exclusive au site périphériquede l’AChE. La deuxième partie de la thèse est dédiée à l’analyse des simulations de laAChE par dynamique moléculaire. On observe que la combinaison de multiples trajectoiresgénérées avec des paramètres de vélocité initiale différents est une méthode fiablepour caractériser les conformations atteintes par les chaînes latérales des acides aminés. Encomparant la distribution des rotamères pour l’AChE humaine et celle du poisson Torpedocalifornica, on montre que des différences importantes existent entre les enzymes des deuxespèces. A partir de ces informations sur les conformations de résidus clés du site actif,une méthode a été développée pour générer des récepteurs utilisable pour des calcules dedocking flexible, de façon à prendre en compte la dynamique propre à chaque résidu del’enzyme. Cette méthode a été validé en comparent les résultats obtenues à des structurescristallographiques connues.


  • Résumé

    Acetylcholinesterase (AChE), one of nature fastest enzyme, is the target of multiple toxics,including organophosphate nerve agents (OP). In the first part of this thesis I present thestructure-based development of a new uncharged reactivator, which showed characteristicsbetter than any molecule commercially available to date. The molecule has been rationallydesigned to present both affinity to the inhibited enzyme and good reactivation capabilities.The interactions between the lead molecule KM297 and AChE has been characterizedby means of flexible docking, molecular dynamics simulations and X-ray protein crystallography.The deeper understanding of its binding modes to both native and OP-inhibitedAChE has helped in developing a derivative, JDS207, whose binding mode at the peripheralsite of AChE is optimized. This derivative has also been studied by flexible docking and Xraycrystallography. The design of this family of reactivators taught us that a deep insightof the AChE dynamics is necessary to optimize ligands. The second part of the thesis isdevoted to the analysis of molecular dynamics simulations of AChE. At first, we assessedthat combining multiple short simulations is a fast and reliable method to characterizethe dynamics of the amino-acids side-chains. By comparing dynamics of the side-chainsfrom hAChE and TcAChE, we confirm that some key dynamical differences exist betweenthe two enzyme. The knowledge of the rotamers issued of MD simulation has lead us todevelop a new method to generate flexible receptors for docking, which is specific to eachsingle residue in the enzyme. This method has been validated by comparing its outputstructures with the ones found on the PDB database.


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