On the recognition of ecdysteroids by the ecdysone receptor: a computational study

La formation de complexes moléculaires est centrale dans tous les processus biologiques. Les méthodes in silico de conception de ligands qui combinent l'information structurale sur la cible biologique avec les principes physiques de la reconnaissance moléculaire contribue à l'identification et à l'optimisation de molécules actives. Nous avons étudié la reconnaissance ligand-récepteur dans un système bien caractérisé du point de vue structural et thermodynamique: le Récepteur à l'Ecdysone. Nous avons choisi six ligands ecdystéroïdiens, caractérisés par une structure très similaire, mais des différences d'affinité de liaison assez importantes. Les ligands ne diffèrent que par le nombre et la position des groupements hydroxyles sur une chaîne alkyle portée par le squelette stéroïde. Nous avons développé et validé un champ de force classique pour les ligands et nous les avons employé dans des simulations de dynamique moléculaire, qui ont été analysée par la méthode de la décomposition de l'énergie libre pour étudier la régulation de l'affinité de liaison dans cette classe de ligands. Nos calculs, comparés avec des données thermodynamiques expérimentales, montrent que la désolvatation du ligand joue un rôle essentiel dans la régulation de l'affinité de liaison. En particulier, le motif 1,2-diol régule finement la formation du complexe grâce à un effet combiné de la désolvatation et de la stabilisation interne au ligand. En outre, nos données montrent une flexibilité importante des ligands dans la poche de liaison, ce qui questionne les modèles habituels de coût entropique à la complexation. Ces résultats ont des implications générales pour la régulation de l'affinité de liaison.The formation of molecular complexes is fundamental in all biological processes. Computational methods that combine structural information on the biological target with physical principles of molecular recognition and interaction contribute to the understanding of such processes and aid in the identification and optimization of active compounds. We have studied the ligand-receptor recognition in the Ecdysone Receptor (EcR), a structurally and thermodynamically well characterized system. We have chosen six ecdysteroid ligands for EcR, characterized by a very similar structure, but remarkable differences in binding affinity. These ligands only differ by the number and positioning of hydroxyl groups on their alkyl tail. We have developed suitable force field parameters and used them to perform molecular dynamocs simulations of the ligand-receptor complexes that we have subsequently analysed by free energy decomposition methods to investigate the regulation of the binding affinity in this class of ligands. Our calculations, compared with thermodynamic experimental data, show that the principal free energy component regulating the binding is the solvation cost of the hydroxyl groups that counteracts the energy gain of the interactions established with the protein. In particular, the 1,2-diol motif fine-tunes the formation of the complex due to a combination of desolvation and internal stabilization of the ligands. Our data also show a high degree of flexibility of the ligand in the binding pocket, which questions the current models of entropic cost upon binding. Our findings will contribute to rational drug design in other highly hydroxylated biological systems