Mécanique et Dynamique Moléculaire du TpT et analogues pour la

Mécanique et Dynamique Moléculaire du TpT et analogues pour la Photochimie
G.P.H. Santini, C. Pakleza, P. Auffinger, C. Moriou, A. Favre, P. Clivio & J.A.H
Cognet
Introduction
La modélisation par mécanique et dynamique moléculaire est désormais une approche
très utilisée en biophysique moléculaire. Elle décrit les molécules comme des ensembles
d’atomes liés par des liaisons atomiques dont le comportement mécanique et dynamique est
simulé par un programme (ici AMBER 7) qui tient compte des différentes contributions
énergétiques intervenant entre les atomes (longueurs et angles de liaison, angles de torsion,
énergies électrostatiques et van der Waals …). Les champs de force et les programmes sont en
constante progression, mais on peut désormais considérer qu’ils sont satisfaisants – en dépit ou
au regard de toutes les approximations faites –. Depuis 1995-2000, les dynamiques moléculaires
des molécules biologiques en solvant explicite sont devenues beaucoup plus fiables et réalistes
(cf. P. Auffinger).
Contrairement aux réactions entre monomères, les réactions photochimiques entre les bases d’un
dimère de thymines, qui donnent lieu à certain type de photoproduits (6-4 ou CPD), se
produisent très probablement par l’intermédiaire d’un état singulet et donc à des échelles de
temps très courtes (~ 10-12 s). Les mouvements atomiques étant de l’ordre de 1 Å/ps, il en résulte
que les conformations de la molécule d’ADN jouent un rôle fondamental sur le type de
photoproduits formés.
O
Cependant, les règles qui régissent les relations entre la conformation
NH
de l’ADN et la formation préférentielle d’un photoproduit sont encore
N
O O
peu claires. Comme les propriétés mutagènes peuvent être très
γ(1) O
χ(1)
HO δ
NH
(1)
différentes selon les photoproduits, l'élucidation de ces règles est
ε(1)
R
O
cruciale pour mieux comprendre les processus de photocarcinogénèse
O
γ(2) O N
ζ(1)
χ(2)
O P O β(2) δ
(mélanomes, …). Afin d’élucider les facteurs conformationnels
(2)
- α (2)
O
impliqués dans la photochimie de la double hélice d’ADN il est
R
HO
important de comprendre d’abord ceux qui se produisent au niveau du
1a R=OCH3
dinucléotide.
1b R=H
Ceci peut être réalisé en comparant la photochimie du (1b, TpT), un bon modèle d'ADN-B, à
celle d’analogues monophosphate du dinucléoside thymine-thymine dotés de propriétés
conformationnelles particulières. L’impact de sucres modifiés sur la flexibilité structurale et la
géométrie des empilements des dimères de thymine a été étudié par des constructions
moléculaires synthétisées par l’équipe de P. Clivio à l’ICSN (Gif-sur-Yvette).
Objectifs
La principale difficulté est que la géométrie de la molécule sous sa forme empilée est peu
connue, et qu’il nous faut résoudre le problème suivant.
À partir de 1a, l'analogue 2'-α-méthoxylé du dinucléotide TpT, il a été montré récemment, que la
2'-α-méthoxylation du TpT (1b) conduit à la formation de dimère cis-syn cyclobutane de
pyrimidine (CPD) et du photoproduit (6-4)pyrimidine-pyrimidone ((6-4)pp)1, des photoproduits
rencontrés dans la photochimie de l’ADN-B. En parallèle, il a été montré par RMN que cette
méthoxylation augmente la proportion de conformations C3'-endo des sucres, le principal
1
Ostrowski, T.; Maurizot, J.-C.; Adeline, M.-T.; Fourrey, J.-L.; Clivio, P. J. Org. Chem., 2003, 68, 65026510.
marqueur conformationnel qui distingue l'ADN-A de l'ADN-B. Or on s’attend à ce que l’ADN
en conformation A conduise plutôt à la formation du photoproduit « spore »2.
Ces résultats expérimentaux soulèvent deux paradoxes particuliers. La similitude des spectres de
dichroïsme circulaire des molécules initiales 1a et 1b et des produits de réactions
photochimiques suggère que la géométrie des bases empilées est très semblable, alors que les
conformations établies à partir des données de la RMN sont très différentes et devrait conduire à
des photoproduits différents. Nous avons étudié ces deux questions avec l'état de l’art des
simulations par dynamique moléculaire et avec le calcul de cartes adiabatiques de conformation.
Résultats
Nos calculs des conformations moléculaires, les tracés de cartes adiabatiques et les
dynamiques moléculaires en solvant aqueux explicite suggèrent les conclusions suivantes pour
expliquer les résultats expérimentaux obtenus :
Figure 2: Superposition du dimère de thymine (1b en noir) et de son analogue modifié (1a en
rouge), sur le squelette (à gauche), sur les bases (à droite). Les cylindres et leurs axes donnent
l’hélicité (A ou B) du dimère.
1/ Les dinucléotides empilés 1a et 1b adoptent respectivement les principales caractéristiques
structurales des simples brins hélicoïdaux en conformation A et B de l’ADN (Fig 2 gauche).
2/ De façon assez surprenante, les géométries empilées des thymines dans les dinucléotides 1a et
1b sont très semblables dans les simulations de dynamique moléculaire (Fig 7 droite). Ce résultat
explique la similitude des photoproduits de 1a et 1b, et l'absence du photoproduit « spore ».
3/ Les différences résiduelles s’expliquent par des comportements dynamiques différents dans
les deux types de conformation A et B.
Perspectives
Au total, les résultats obtenus suggèrent que les conformations de TpT sont désormais
bien déterminées : les dimères de thymines modifiés ou non conservent une géométrie A ou B,
mais s’empilent de façon très similaire. Ces conformations ouvrent ainsi une nouvelle voie pour
prévoir et comprendre la sélectivité des réactions photochimiques entre les nucléobases, à partir
de modèles simples, et notamment d’autres dimères de thymine modifiés.
Publication
G.P.H. Santini, C. Pakleza, P. Auffinger, C. Moriou, A. Favre, P. Clivio & J.A.H Cognet (2007)
“Dinucleotide TpT and its 2'-O-Me analogue possess different backbone conformations and
flexibilities but similar stacked geometries”. J. Phys. Chem. B, 111, 9400-9409.
2
Mayo, J. U. O.; Dupradeau, F.-Y.; Guillaume, D.; Fourrey, J.-L.; Clivio, P. J. Org. Chem., 2004, 69,
4797-4801.