Structure-based algorithms for protein-protein interactions

by Georgy Derevyanko

Doctoral thesis in Physique pour les Sciences du Vivant

Under the supervision of Valentin Gordeliy and Sergei Grudinin.

defended on 15-10-2014

in Grenoble , under the authority of École doctorale physique (Grenoble) , in a partnership with Institut de biologie structurale (Grenoble) (laboratoire) .

Thesis committee members: Joseph Zaccai, Grégory Durand.

Examiners: Martin Engelhard, Georg Büldt.


  • Abstract

    The phenotype of every known living organism is determined mainly by the complicated interactions between the proteins produced in this organism. Understanding the orchestration of the organismal responses to the external or internal stimuli is based on the understanding of the interactions of individual proteins and their complexes structures. The prediction of a complex of two or more proteins is the problem of the protein-protein docking field. Docking algorithms usually have two major steps: exhaustive 6D rigid-body search followed by the scoring. In this work we made contribution to both of these steps. We developed a novel algorithm for 6D exhaustive search, HermiteFit. It is based on Hermite decomposition of 3D functions into the Hermite basis. We implemented this algorithm in the program for fitting low-resolution electron density maps. We showed that it outperforms existing algorithms in terms of time-per-point while maintaining the same output model accuracy. We also developed a novel approach to computation of a scoring function, which is based on simple logical arguments and avoids an ambiguous computation of the reference state. We compared it to the existing scoring functions on the widely used protein-protein docking benchmarks. Finally, we developed an approach to include water-protein interactions into the scoring functions and validated our method during the Critical Assessment of Protein Interactions round 47.

  • Alternative Title

    Algorithmes appliqués aux structures pour l'étude des interactions protéines-protéines


  • Abstract

    Les phénotypes de tous les organismes vivants connus sont déterminés par les interactions compliquées entre les protéines produites dans ces organismes. La compréhension des réponses des organismes aux stimuli externes ou internes est basée sur la compréhension des interactions des protéines individuelles et des structures de ses complexes. La prédiction d'un complexe de deux ou plus protéines est le problème du domaine du docking protéine-protéine. Les algorithmes du docking ont habituellement deux étapes majeurs: recherche 6D exhaustive suivi par le scoring. Dans ce travail, nous avons contribués aux deus étapes sus indiquées. Nous avons développés le nouvel algorithme pour la recherche 6D exhaustive, HermiteFit. Cela est basé sur la décomposition des fonctions 3D en base Hermite. Nous avons implémenté cet algorithme dans le programme pour le fitting (l'ajustement des donnés) des cartes de densité électronique de résolution faible. Nous avons montrés qu'il surpasse les algorithmes existants en terme de temps par point tandis qu'il maintient la même précision du modèle sortant. Nous avons aussi développés la nouvelle approche de calculation de la fonction du scoring, qui est basé sur les arguments logique simples et qui évite la calculation ambiguë de l'état de référence. Nous avons comparés cela aux fonctions de scoring existantes avec l'aide du docking protéines-protéines benchmarks bien connues. Enfin, nous avons développés une approche permettant l'inclusion des interactions eau-protéine à la fonction du scoring et nous avons validés notre méthode pendant le CAPRI (Critical Assessment of Protein Interactions) tour 47.


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