Characterizing the Morphology of Protein Binding Patches

Let the patch of a partner in a protein complex be the collection of atoms accounting for the interaction. To improve our understanding of the structure-function relationship, we present a patch model decoupling the topological and geometric properties. While the geometry is classically encoded by the atomic positions, the topology is recorded in a graph encoding the relative position of concentric shells partitioning the interface atoms. The topological - geometric duality provides the basis of a generic dynamic programming based algorithm comparing patches at the shell level, which may favor topological or geometric features. On the biological side, we address four questions, using 249 co-crystallized heterodimers organized in biological families. First, we dissect the morphology of binding patches, and show that Nature enjoyed the topological and geometric degrees of freedom independently while retaining a finite set of qualitatively distinct topological signatures. Second, we argue that our shell-based comparison is effective to perform atomic-level comparisons, and show that topological similarity is a less stringent than geometric similarity. We also use the topological versus geometric duality to exhibit topo-rigid patches, whose topology (but not geometry) remains stable upon docking. Third, we use our comparison algorithms to infer specificity related information amidst a database of complexes. Finally, we exhibit a descriptor outperforming its contenders to predict the binding affinities of the affinity benchmark. The softwares developed with this paper are available from http://team.inria.fr/abs/vorpatch_compatch/Définissons le patch d'un complexe protéique comme l'ensemble des atomes rendant compte de l'interaction. Afin d'éclairer le rapport structure - fonction, nous proposons un modèle de patch découplant les propriétés topologiques et géométriques. La géométrie étant comme à l'accoutumée codée par les positions des atomes, la topologie est encodée au moyen d'un graphe indiquant les positions relatives de couches concentriques partitionnant les atomes du patch. Ce codage fournit la base d' un algorithme générique de comparaison de patchs au niveau atomique, lequel peut être instantié pour privilégier la géométrie ou de la topologie. Du point de vue biologique, nous examinons quatre questions à l'aide d'une base de données de 249 structures de complexes co-cristalisés, organisés en familles biologiques. Premièrement, nous montrons que la Nature utilise les degrés de liberté topologiques et géométriques indépendamment, tout en ne conservant qu'un ensemble fini de signatures topologiques qualitativement distinctes. Deuxièmement, nous argumentons l'efficacité de nos méthodes de comparaisons à produire des comparaisons au niveau atomique, et nous observons que la similarité topologique est une notion moins stricte que ne l'est la similarité géométrique habituellement utilisée. Nous utilisons également la dualité entre la topologie et la géométrie pour caractériser des patchs topo-rigides, dont la topologie (mais pas la géométrie) reste stable lors de l'amarrage. Troisièmement, nous utilisons nos algorithmes pour étudier la spécificité d'interactions observées au sein de notre base de données. Enfin, nous proposons un descripteur améliorant la prédiction des constantes d'affinité des complexes de l'affinity benchmark. Les logiciels Vorpatch et Compatch, développé dans cet article sont disponible via : http://team.inria.fr/abs/vorpatch_compatch