L'innovation thérapeutique progresse traditionnellement par la combinaison du criblage expérimental et de la modélisation moléculaire. En pratique, cette dernière approche est souvent limitée par la pénurie de données expérimentales, particulièrement les informations structurales et biologiques. Aujourd'hui, la situation a complètement changé avec le séquençage à haut débit du génome humain et les avancées réalisées dans la détermination des structures tridimensionnelles des protéines. Cette détermination permet d'avoir accès à une grande quantité de données pouvant servir à la recherche de nouveaux traitements pour un grand nombre de maladies. À cet égard, les approches informatiques permettant de développer des programmes de criblage virtuel à haut débit offrent une alternative ou un complément aux méthodes expérimentales qui font gagner du temps et de l'argent dans la découverte de nouveaux traitements. Appliqué aux grandes bases de données moléculaires, le criblage virtuel à haut débit permet de limiter le criblage expérimental en fournissant, pour chaque cible biologique visée, des molécules potentiellement intéressantes au moyen de méthodes informatiques adaptées. Cependant, la plupart de ces approches souffrent des mêmes limitations. Le coût et la durée des temps de calcul pour évaluer la fixation d'une collection de molécules à une cible, qui est considérable dans le contexte du haut débit, ainsi que la précision des résultats obtenus sont les défis les plus évidents dans le domaine. Le besoin de gérer une grande quantité de données hétérogènes est aussi particulièrement crucial. Pour surmonter les limitations actuelles du criblage virtuel à haut débit et ainsi optimiser les premières étapes du processus de découverte de nouveaux médicaments, j'ai mis en place une méthodologie innovante permettant, d'une part, de gérer une masse importante de données hétérogènes et d'en extraire des connaissances et, d'autre part, de distribuer les calculs nécessaires sur les grilles de calcul comportant plusieurs milliers de processeurs, le tout intégré à un protocole de criblage virtuel en plusieurs étapes. L'objectif est la prise en compte, sous forme de contraintes, des connaissances sur le problème posé afin d'optimiser la précision des résultats et les coûts en termes de temps et d'argent du criblage virtuel. Les approches méthodologiques développées ont été appliquées avec succès à une étude concernant le problème de résistance du VIH aux antiviraux, projet soutenu par la fondation Bill et Melinda Gates dans le cadre d'un projet de collaboration avec le CIRCB au Cameroun.

Le criblage virtuel est largement employé pour la recherche de nouveaux médicaments.La sélection de structures pour les méthodes de criblage virtuel basées sur la structure reste problématique. Nous avons montré que les propriétés physico-chimiques du site de liaison, critères simples et peu coûteux en temps de calcul, pouvaient être utilisées pour guider celle-ci.L’évaluation des méthodes de criblage virtuel, critique pour vérifier leur fiabilité, repose sur la qualité de banques d’évaluation. Nous avons construit la NRLiSt BDB, n’incluant que des données vérifiées manuellement et prenant en compte le profil pharmacologique des ligands. Une étude à l’aide du logiciel Surflex-Dock montre qu’elle devrait devenir la base de données de référence, pour l’évaluation des méthodes de criblage virtuel et pour rechercher de nouveaux ligands des récepteurs nucléaires. L’application d’un protocole hiérarchique de criblage in silico/in vitro, a permis d’identifier de nouveaux composés inhibiteurs de l’IL-6, potentiellement utilisables dans le traitement de la polyarthrite rhumatoïde. Les résultats in vitro devront être confirmés par des tests in vivo. / Virtual screening is widely used in drug discovery processes.Structure selection in structure-based virtual screening methods is still problematic. We showed that simple and “low cost” binding site physico-chemical properties could be used to guide structure selection.The evaluation of virtual screening methods, necessary to ensure their reliability, relies on benchmarking databases quality. We created the NRLiSt BDB, gathering only manually curated data and taking into account ligands pharmacological profiles. A study using Surflex-Dock showed that the NRLiSt BDB should become the reference, both for the evaluation of virtual screening methods and for the identification of new ligands of the nuclear receptors.The use of a in silico/invitro hierarchical approach screening allowed to identify new IL-6 inhibitors, that could be used in rheumatoid arthritis treatment. In vitro results should be confirmed in vivo.

Comprendre les interactions réalisées entre un candidat médicament et sa protéine cible est un enjeu crucial pour orienter la recherche de nouvelles molécules. En effet, ce processus implique de nombreux paramètres qu’il est nécessaire d’analyser séparément pour mieux comprendre leurs effets.Nous proposons ici deux nouvelles approches observant les relations protéine/ligand. La première se concentre sur la comparaison de cavités formées par les sites de liaison pouvant accueillir une molécule. Cette méthode permet d’inférer la fonction d’une protéine mais surtout de prédire « l’accessibilité » d’un site de liaison pour un médicament. La seconde tactique se focalise sur la comparaison des interactions non-covalentes réalisées entre la protéine et le ligand afin d’améliorer la sélection de molécules potentiellement actives lors de criblages virtuels, et de rechercher de nouveaux fragments moléculaires, structuralement différents mais partageant le même mode d’interaction. / Understanding the interactions between a drug and its target protein is crucial in order to guide drug discovery. Indeed, this process involves many parameters that need to be analyzed separately to better understand their effects.We propose two new approaches to observe protein/ligand relationships. The first focuses on the comparison of cavities formed by binding sites that can accommodate a small molecule. This method allows to infer the function of a protein but also to predict the accessibility of a binding site for a drug. The second method focuses on the comparison of non-covalent interactions made between the protein and the ligand to improve the selection of potentially active molecules in virtual screening, and to find new molecular fragments, structurally different but sharing the same mode of interaction.

Les méthodes de criblage virtuel sont largement utilisées dans le processus de conception de médicaments afin de réduire le nombre de composés à tester expérimentalement. Cependant, les résultats obtenus par criblage virtuel ne sont que des prédictions et leur fiabilité n'est pas garantie. L'évaluation de ces méthodes est donc essentielle pour guider le bioinformaticien dans le choix de l'outil et du protocol adaptés dans les conditions de son expérience. Dans une première étude, nous avons développé une nouvelle métrique pour l'analyse des résultats de criblage : la Courbe de Prédictivité. Cette métrique permet une analyse fine de la pertinence des scores d'affinité pour la détection de composés actifs et complète les métriques existantes, permettant une meilleure compréhension des résultats de criblage. Lors de notre projet suivant, nous avons souhaité faciliter ce processus d'analyse en intégrant l'ensemble des métriques de criblage virtuel dans un outil web interactif : Screening Explorer. Une seconde partie de ma thèse a consisté en la recherche de nouveaux inhibiteurs du VIH (Virus de l’Immunodéficience Humaine). L'équipe génomique de notre laboratoire a identifié plusieurs gènes dont l'expression influence le développement du SIDA, révèlant ainsi de potentielles cibles thérapeutiques. Une étude bibliographique a permis d'identifier plusieurs composés inhibiteurs de ces cibles. La société Peptinov, associée à notre laboratoire, va prochainement estimer le potentiel thérapeutique de ces composés dans des essais in vitro (i) d'infection par le VIH, (ii) de prolifération virale et (iii) de réactivation virale. / Virtual screening methods are widely used in drug discovery processes in order to reduce the number of compounds to test experimentally. However, virtual screening results are only predictions and their reliability is not guaranteed. Evaluating these methods is crucial to guide the bioinformatician in the choice of the right tool and protocol according to the conditions of his experiment. In a first study, we developed a new metric to analyze the results of virtual screening: the Predictiveness Curve. This metric allows to finely analyze the relevance of binding scores for the detection of active compounds and complete existing metrics, allowing a better comprehension of screening results. In a following project, we facilitated the analysis process by integrating all of the virtuel screening metrics in an interactive tool: Screening Explorer. The second part of my thesis consisted in the research of novel HIV inhibitors. The genomic team of our laboratory identified several genes whose expression influence the development of AIDS, therefore revealing potential therapeutic targets. A bibliographic study allowed to identify compounds that can inhibit those targets. The company Peptinov, associated to our laboratory, is currently estimating the therapeutic potential of the compounds in vitro in assays of (i) HIV infection, (ii) viral proliferation and (iii) viral reactivation.

L’ADN, support de l’information génétique, est constamment altéré par des agents physiques ou chimiques d’origines endogènes (métabolisme) et exogènes (UV, radiations ionisantes, produits chimiques) dont les effets sont génotoxiques. Ces modifications structurales délétères de l’ADN sont éliminées par de nombreux mécanismes de réparation. Parmi eux, le système de réparation par excision de bases (BER) est initié par les ADN glycosylases qui reconnaissent et éliminent les bases endommagées. Dans certaines stratégies anti-cancéreuses, l’utilisation de la chimiothérapie et la radiothérapie ont pour but la destruction des cellules cancéreuses en altérant leur ADN. Dans ce contexte, les ADN glycosylases réparent l’ADN des cellules traitées et induisent une résistance non désirée au traitement, faisant de ces enzymes des cibles thérapeutiques intéressantes. Le but de ces travaux est d’approfondir la compréhension des mécanismes de réparation des ADN glycosylases de la superfamille structurale Fpg/Nei grâce à la modélisation moléculaire et de pouvoir identifier et concevoir des inhibiteurs de ces enzymes. Les simulations de dynamique moléculaire (DM) nous ont permis d’étudier la « Lesion Capping Loop » (LCL) et de l’associer à la stabilisation de la base endommagée positionnée dans le site actif. Nous avons également étudié les chemins de sortie possibles de la base après coupure par l’enzyme et l’implication de la boucle LCL dans ce phénomène grâce à des simulations de DM ciblée (TMD-1). De plus, les simulations de DM couplées à un protocole d’amarrage moléculaire « aveugle » nous ont permis d’identifier 2 sites de fixations possibles majoritaires pour des petites molécules potentiellement inhibitrices. Un de ces sites correspondant au site actif de hNEIL1 a fait l’objet d’un criblage virtuel d’une partie de la base de molécules Ambinter. Ceci nous a permis d’identifier des molécules potentiellement inhibitrices dont les effets seront prochainement testés in vitro dans l’équipe sur la protéine humaine hNeil1. / The DNA, genetic information support, is frequently damaged by physical or chemical agents from endogenous (cell metabolism) and exogenous (UV, ionizing radiations, chemicals) factors whose effects are genotoxic. These deleterious DNA structural alterations are removed by many DNA repair mechanisms. Among them, the base excision repair (BER) is initiated by DNA glycosylases which recognize and remove damaged bases. In some anti-cancer strategies, the use of chemo- and radiotherapy is aimed to cancerous cells destruction by altering their DNA. In that specific context, DNA glycosylases repair the DNA of treated cells and induce unwanted resistance to treatments, making these enzymes interesting therapeutic targets. The purpose of this work is to deepen the repair mechanism knowledge of Fpg/Nei structural superfamily of DNA glycosylases using molecular modeling and designing inhibitors of these enzymes. Molecular dynamic simulations allowed us to study the « Lesion Capping Loop » (LCL) and to associate its role to substrate stabilization in the enzyme active site. We also studied some possible excision’s product release pathways and LCL implication in this phenomena by targeted molecular dynamic simulations (TMD-1). Furthermore, molecular dynamic simulations coupled to a blind molecular docking protocol allowed us to identify 2 possible main binding sites of potential inhibitiors. One of these binding sites corresponding to the hNEIL1 active site has been the object of a virtual screening of the Greenpharma database. This allowed us to identify potential inhibitors whom effects will be soon tested in vitro on the humain protein hNEIL1.

Le criblage virtuel est largement employé pour la recherche de nouveaux médicaments.La sélection de structures pour les méthodes de criblage virtuel basées sur la structure reste problématique. Nous avons montré que les propriétés physico-chimiques du site de liaison, critères simples et peu coûteux en temps de calcul, pouvaient être utilisées pour guider celle-ci.L’évaluation des méthodes de criblage virtuel, critique pour vérifier leur fiabilité, repose sur la qualité de banques d’évaluation. Nous avons construit la NRLiSt BDB, n’incluant que des données vérifiées manuellement et prenant en compte le profil pharmacologique des ligands. Une étude à l’aide du logiciel Surflex-Dock montre qu’elle devrait devenir la base de données de référence, pour l’évaluation des méthodes de criblage virtuel et pour rechercher de nouveaux ligands des récepteurs nucléaires. L’application d’un protocole hiérarchique de criblage in silico/in vitro, a permis d’identifier de nouveaux composés inhibiteurs de l’IL-6, potentiellement utilisables dans le traitement de la polyarthrite rhumatoïde. Les résultats in vitro devront être confirmés par des tests in vivo. / Virtual screening is widely used in drug discovery processes.Structure selection in structure-based virtual screening methods is still problematic. We showed that simple and “low cost” binding site physico-chemical properties could be used to guide structure selection.The evaluation of virtual screening methods, necessary to ensure their reliability, relies on benchmarking databases quality. We created the NRLiSt BDB, gathering only manually curated data and taking into account ligands pharmacological profiles. A study using Surflex-Dock showed that the NRLiSt BDB should become the reference, both for the evaluation of virtual screening methods and for the identification of new ligands of the nuclear receptors.The use of a in silico/invitro hierarchical approach screening allowed to identify new IL-6 inhibitors, that could be used in rheumatoid arthritis treatment. In vitro results should be confirmed in vivo.

La thrombose est le plus important processus pathologique sous-jacent à de nombreuses maladies cardiovasculaires, qui sont responsables d’une mortalité élevée dans le monde entier. Dans cette thèse, la conception assistée par ordinateur de nouveaux agents antithrombotiques capables d’inhiber deux types de récepteurs situés à la surface des plaquettes a été appliquée. Le premier - αIIbβ3 - est responsable de l’interaction des plaquettes activées avec le fibrinogène pour former des caillots, tandis que le second – le thromboxane A2 – est responsable de l’activation des plaquettes par l’un des agonistes excrétés par les plaquettes activées. Afin d’atteindre cet objectif, différents types de modèles ont été développés en utilisant les informations expérimentales disponibles et la structure des complexes protéine-ligand, comprenant des modèles QSAR, des pharmacophores 3D basés sur la structure de la protéine ou du ligand, des pharmacophores 2D, des modèles basés sur la forme et sur le champ moléculaire. L’ensemble des modèles développés ont été utilisés en criblage virtuel. Cette étude a abouti sur la suggestion de nouveaux antagonistes potentiels des récepteurs αIIbβ3 et thromboxane A2. Les antagonistes de αIIbβ3 suggérés pouvant se lier soit à la forme ouverte soit à la forme fermée du récepteur ont été synthétisés et testés expérimentalement. L’expérience montre qu’ils font preuve d’une forte activité; de plus, certains des composés conçus théoriquement sont plus efficaces que le Tirofiban, qui est un médicament commercialisé. Les antagonistes recommandés du récepteur thromboxane A2 ont déjà été synthétisés mais les tests biologiques n’ont pas encore été complétés. / Thrombosis is the most important pathological process underlying many cardiovascular diseases, which are responsible for high mortality worldwide. In this theses the computer-aided design of new anti-thrombotic agents able to inhibit two types of receptors located on the surface of the platelets has been applied. The first one - αIIbβ3 - is responsible for the interaction of activated platelets with fibrinogen to form clots, whereas the second one - thromboxane A2 - is responsible for platelet activation by one of agonists excreted by activated platelets. To achieve this, different types of models have been developed using experimentally available information and structure of protein-ligand complexes. This concerns: QSAR models, structure-based and ligand-based 3D pharmacophore models, 2D pharmacophore models, shape-based and molecular field-based models. The ensemble of the developed models were used in virtual screening. This study resulted in suggestion of new potential antagonists of αIIbβ3 and thromboxane A2 receptors. Suggested antagonists of αIIbβ3 able to bind either open or closed form of the receptor have been synthesized and tested experimentally. Experiments show that they display high activity; moreover some of theoretically designed compounds are more efficient than Tirofiban – the commercialized drug molecule. The recommended antagonists of thromboxane A2 receptor have been already synthesized but biological tests have not been completed yet.

Le criblage virtuel est de plus en plus utilisé dans les programmes de recherche de nouveaux principes actifs. L’augmentation considérable du nombre de structures résolues a favorisé le recours aux méthodes basées sur la structure de la cible comme le docking. Néanmoins, le choix de la/des structure(s) à utiliser demeure une question d’actualité. Pour tenter d'apporter une réponse, les résultats des études de docking menées sur la banque d’évaluation de référence (DUD) ont été analysés en prenant en compte les propriétés des sites de liaisons des structures de référence. D’intéressants résultats ont été obtenus mettant en évidence l'influence du volume et de l’ouverture des sites actifs sur les performances des méthodes. Ces critères de sélection simples et peu coûteux peuvent servir pour l’optimisation de protocoles de docking.Alors qu’aucune petite molécule inhibitrice du TNFα n’est actuellement commercialisée, l’application d’un protocole hiérarchique de criblage virtuel/in vitro, a permis d’identifier des touches actives. L’une d’elle, de squelette benzènesulfonamide a fait l’objet de pharmacomodulation en vue d’obtenir des analogues optimisés. Vingt molécules inédites ont été synthétisées et testées in vitro et certaines ont montré une activité intéressante. L’ensemble des données obtenues apportent des éléments importants de relation structure-activité. Ces résultats peuvent être exploités pour la conception de molécules innovantes ciblant le TNFα ce qui serait une avancée prometteuse pour le traitement des pathologies liées à une surproduction de cette cytokine comme la polyarthrite rhumatoïde et la maladie de Crohn. / Virtual screening is widely used in drug discovery programs. The increasing number of resolved structures favored the use of Structure Based Virtual Ligand Screening methods like docking. Nevertheless, the choice of the structure(s) used as reference remains a topical issue when several are available. In this work, DUD database docking results were analyzed taking into account the properties of the query structure(s) binding sites. Interesting results were obtained highlighting the influence of active site volume and opening on methods performances. These simple and inexpensive “binding site properties-based” guidelines could be helpful to optimize future docking protocols.Despite important effort, no active small molecule targeting TNFα has been released so far. The use of a virtual/ in vitro hierarchical approach screening allowed identifying some active hits. Starting from one of them with a benzenesulfonamide structure, pharmacomodulation was achieved in order to obtain optimized analogs. Twenty new chemical derivatives with an original structure were synthesized and tested in vitro. Some of them exhibited an interesting activity. Moreover, data obtained provide important elements of structure-activity relationship. These results could constitute the basis for innovative small molecule TNFα-targeted therapeutics which would be a promising step for the treatment of diseases related to overproduction of this cytokine such as rheumatoid arthritis and Crohn's disease.

Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

L’Institut National des Produits Chimiques de l’Académie des Sciences du Vietnam (INPC) développe depuis plusieurs années une activité autour de la recherche de nouveaux médicaments issus de la biodiversité. Le développement d’un nouveau médicament prend de l’ordre d’une dizaine d’années et passe par plusieurs phases. Dans la phase de découverte, l’activité des composés chimiques sur une cible biologique est mesurée afin de mettre en évidence une action inhibitrice. Le développement d’approches in silico pour le criblage virtuel des composés chimiques est une alternative aux approches classiques in vitro beaucoup plus coûteuses à mettre en œuvre. L’utilisation de la grille a été identifiée comme une voie économiquement prometteuse pour accompagner la recherche de nouveaux médicaments au Vietnam. En effet, le développement de nouvelles stratégies basées sur l’utilisation de plates-formes de soumission de tâches (DIRAC, HTCaaS) a permis d’améliorer considérablement le taux de succès et le confort des utilisateurs, ouvrant la voie à une démocratisation de la grille.Dans ce contexte, l’objectif poursuivi dans le cadre de cette thèse est d’étudier dans quelle mesure des plates-formes multidisciplinaires pouvaient répondre aux besoins des chimistes de l’INPC. Le travail s’est concentré sur les modalités d’un partage équitable d’une plate-forme de soumission de tâches sur la grille par une ou plusieurs communautés d’utilisateurs. L’ordonnancement des tâches sur un serveur commun doit permettre que les différents groupes aient une expérience positive et comparable. Sur les infrastructures de grille EGEE et EGI en Europe , on peut distinguer deux grandes catégories d’utilisateurs : les utilisateurs « normaux » qui vont solliciter les ressources pour des tâches requérant typiquement de quelques dizaines à quelques centaines d’heures de calcul, et les « gros » utilisateurs qui vont lancer des grandes productions nécessitant le traitement de plusieurs milliers de tâches pendant des dizaines, voire des centaines de milliers d’heures de calcul. Les stratégies d’ordonnancement déployées aujourd’hui sur les plates-formes comme DIRAC ou HTCaaS ne permettent pas de servir de façon optimale et simultanée ces deux familles d’utilisateurs.Le manuscrit présente une évaluation par simulation des performances de plusieurs stratégies d’ordonnancement des tâches d’une plate-forme soumettant des jobs pilotes. L’outil SimGrid a permis de simuler l’infrastructure de grille régionale déployée en Auvergne à partir de traces archivées de son utilisation. Après évaluation des performances de plusieurs politiques d’ordonnancement tirées de la littérature, une nouvelle politique a été proposée dans laquelle les utilisateurs normaux et les très gros utilisateurs sont gérés de façon indépendante. Grâce à cette politique, le ralentissement expérimenté par les très gros utilisateurs est réduit significativement sans pénaliser excessivement les utilisateurs normaux. L’étude a été étendue à une fédération de clouds utilisant les mêmes ressources et arrive aux mêmes conclusions. Les performances des politiques d’ordonnancement ont ensuite été évaluées sur des environnements de production, à savoir l’infrastructure de grille européenne EGI et l’infrastructure nationale de supercalculateurs de la Corée du Sud. Un serveur DIRAC a été adossé aux ressources de l’organisation virtuelle biomédicale d’EGI pour étudier les ralentissements observés par les utilisateurs de ce serveur. Pareillement, les ralentissements expérimentés par les utilisateurs de la plate-forme HTCaaS au KISTI ont été observés en excellent accord avec les résultats de simulation avec SimGrid.Ces travaux confirment la faisabilité et l’intérêt d’une plate-forme unique au Vietnam au service des communautés scientifiques consommatrices des ressources académiques de grille et de cloud, notamment pour la recherche de nouveaux médicaments. / Virtual Screening (VS) is a computational technique used in the drug discovery process to select the most promising candidate drugs for in vitro testing from millions of chemical compounds. This method can offer an efficient alternative to reduce the cost of drug discovery and platform. The Natural Products Chemistry Institute of the Academy of Sciences of Vietnam (INPC) collects samples from local biodiversity and determines the 3D structure of single molecules. Their challenge is to set up a virtual screening platform on grid computing for their chemists to process their data. However, as the number of users who might have a wide range of virtual screening applications (in terms of the number of tasks and execution time) increases with limited available computing resources, it becomes crucial to devise an effective scheduling policy that can ensure a certain degree of fairness, user satisfaction and overall system throughput. In this context, the thesis focuses on an effective scheduling policy for the virtual screening workflow where multiple users with varying numbers of tasks are actively sharing a common system infrastructure. We have researched in theory and proposed some candidate policies. With the simulation results and the experimentation results in real system, we proposed the best policy for the fairness between users, which can be applied to INPC virtual screening platform.