?tude computationnelle du domaine PDZ de Tiam1

par Nicolas Panel

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Thomas Simonson.

Le jury était composé de Thomas Simonson, Sophie Sacquin-Mora, Jessica Andreani.

Les rapporteurs étaient Nathalie Reuter, Serge Crouzy.


  • Résumé

    Les interactions prot?ine-prot?ine sont souvent contr?l?es par de petits domaines prot?iques qui r?gulent les chemins de signalisation au sein des cellules eucaryotes. Les domaines PDZ sont parmi les domaines les plus r?pandus et les plus ?tudi?s. Ils reconnaissent sp?cifiquement les 4 ? 10 acides amin?s C-terminaux de leurs partenaires. Tiam1 est un facteur d'?change de GTP de la prot?ine Rac1 qui contr?le la migration et la prolif?ration cellulaire et dont le domaine PDZ lie les prot?ines Syndecan-1 (Sdc1), Caspr4 et Neurexine. Des petits peptides ou des mol?cules peptidomim?tiques peuvent potentiellement inhiber ou moduler son activit? et ?tre utilis?s ? des fins th?rapeutiques. Nous avons appliqu? des approches de dessin computationnel de prot?ine (CPD) et de calcul d'?nergie libre par simulations dynamique mol?culaire (DM) pour comprendre et modifier sa sp?cificit?. Le CPD utilise un mod?le structural et une fonction d'?nergie pour explorer l'espace des s?quences et des structures et identifier des variants prot?iques ou peptidiques stables et fonctionnels. Nous avons utilis? le programme de CPD Proteus, d?velopp? au laboratoire, pour redessiner enti?rement le domaine PDZ de Tiam1. Les s?quences g?n?r?es sont similaires ? celles des domaines PDZ naturels, avec des scores de similarit? et de reconnaissance de pli comparables au programme Rosetta, un outil de CPD tr?s utilis?. Des s?quences contenant environ 60 positions mut?es sur 90, ont ?t? test?es par simulations de DM et des mesures biophysiques. Quatre des cinq s?quences test?es exp?rimentalement (par nos collaborateurs) montrent un d?pliement r?versible autour de 50?C. Proteus a ?galement d?terminer correctement la sp?cificit? de la liaison de quelques variants prot?iques et peptidiques. Pour ?tudier plus finement la sp?cificit?, nous avons param?tr? un mod?le d'?nergie libre semi-empirique de Poisson-Boltzmann ayant la forme d'une ?nergie lin?aire d'interaction, ou PB/LIE, appliqu? ? des conformations issues de simulations de DM en solvant explicite de complexes PDZ:peptide. Avec trois param?tres ajustables, le mod?le reproduit correctement les affinit?s exp?rimentales de 41 variants, avec une erreur moyenne absolue de 0,4~kcal/mol, et donne des pr?dictions pour 10 nouveaux variants. Le mod?le PB/LIE a ensuite compar? ? la m?thode non-empirique de calcul d'?nergie libre par simulations alchimiques, qui n'a pas de param?tre ajustable et qui pr?dit correctement l'affinit? de 12 complexes Tiam1:peptide. Ces outils et les r?sultats obtenus devraient nous permettre d'identifier des peptides inhibiteurs et auront d'importantes retomb?es pour l'ing?nierie des interactions PDZ:peptide.

  • Titre traduit

    Computational study of the Tiam1 PDZ domain


  • Résumé

    Small protein domains often direct protein-protein interactions and regulate eukaryotic signalling pathways. PDZ domains are among the most widespread and best-studied. They specifically recognize the 4-10 C-terminal amino acids of target proteins. Tiam1 is a Rac GTP exchange factor that helps control cellmigration and proliferation and whose PDZ domain binds the proteins syndecan-1 (Sdc1), Caspr4, and Neurexin. Short peptides and peptidomimetics can potentially inhibit or modulate its action and act as bioreagents or therapeutics. We used computational protein design (CPD) and molecular dynamics (MD) free energy simulations to understand and engineer its peptide specificity. CPD uses a structural model and an energy function to explore the space of sequences and structures and identify stable and functional protein or peptide variants. We used our in-house Proteus CPD package to completely redesign the Tiam1 PDZ domain. The designed sequences were similar to natural PDZ domains, with similarity and fold recognition scores comarable to the widely-used Rosetta CPD package. Selected sequences, containing around 60 mutated positions out of 90, were tested by microsecond MD simulations and biophysical experiments. Four of five sequences tested experimentally (by our collaborators) displayed reversible unfolding around 50?C. Proteus also accurately scored the binding specificity of several protein and peptide variants. As a more refined model for specificity, we parameterized a semi-empirical free energy model of the Poisson-Boltzmann Linear Interaction Energy or PB/LIE form, which scores conformations extracted from explicit solvent MD simulations of PDZ:peptide complexes. With three adjustable parameters, the model accurately reproduced the experimental binding affinities of 41 variants, with a mean unsigned error of just 0.4 kcal/mol, andgave predictions for 10 new variants. The PB/LIE model was tested further by comparing to non-empirical, alchemical, MD free energy simulations, which have no adjustable parameters and were found to give chemical accuracy for 12 Tiam1:peptide complexes. The tools and insights obtained should help discover new tight binding peptides or peptidomimetics and have broad implications for engineering PDZ:peptide interactions.


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