Development and applications of a bioinformatic tool to detect molecular interaction field similarities

Résumé : Les méthodes de détection de similarités de sites de liaison servent entre autres à la prédiction de fonction et à la prédiction de cibles croisées. Ces méthodes peuvent aider à prévenir les effets secondaires, suggérer le repositionnement de médicament existants, identifier des cibles polypharmacologiques et des remplacements bio-isostériques. La plupart des méthodes utilisent des représentations basées sur les atomes, même si les champs d’interaction moléculaire (MIFs) représentent plus directement ce qui cherche à être identifié. Nous avons développé une méthode bio-informatique, IsoMif, qui détecte les similarités de MIF entre différents sites de liaisons et qui ne nécessite aucun alignement de séquence ou de structure. Sa performance a été comparée à d’autres méthodes avec des bancs d’essais, ce qui n’a jamais été fait pour une méthode basée sur les MIFs. IsoMif performe mieux en moyenne et est plus robuste. Nous avons noté des limites intrinsèques à la méthodologie et d’autres qui proviennent de la nature. L’impact de choix de conception sur la performance est discuté. Nous avons développé une interface en ligne qui permet la détection de similarités entre une protéine et différents ensembles de MIFs précalculés ou à des MIFs choisis par l’utilisateur. Des sessions PyMOL peuvent être téléchargées afin de visualiser les similarités identifiées pour différentes interactions intermoléculaires. Nous avons appliqué IsoMif pour identifier des cibles croisées potentielles de drogues lors d’une analyse à large échelle (5,6 millions de comparaisons). Des simulations d’arrimage moléculaire ont également été effectuées pour les prédictions significatives. L’objectif est de générer des hypothèses de repositionnement et de mécanismes d’effets secondaires observés. Plusieurs exemples sont présentés à cet égard.Abstract : Methods that detect binding site similarities between proteins serve for the prediction of function and the identification of potential off-targets. These methods can help prevent side-effects, suggest drug repurposing and polypharmacological strategies and suggest bioisosteric replacements. Most methods use atom-based representations despite the fact that molecular interaction fields (MIFs) represents more closely the nature of what is meant to be identified. We developped a computational algorithm, IsoMif, that detects MIF similarities between binding sites. We benchmark IsoMif to other methods which has not been previously done for a MIF-based method. IsoMif performed best in average and more consistently accross datasets. We highlight limitations intrinsic to the methodology or to nature. The impact of design choices on performance is discussed. We built a freely available web interface that allows the detection of similarities between a protein and pre-calculated MIFs or user defined MIFs. PyMOL sessions can be downloaded to visualize similarities for the different intermolecular interactions. IsoMif was applied for a large-scale analysis (5,6 millions of comparisons) to predict offtargets of drugs. Docking simulations of the drugs in the binding site of their top hits were performed. The primary objective is to generate hypotheses that can be further investigated and validated regarding drug repurposing opportunities and side-effect mechanisms