Membres à l'honneur: Weepangel (40 000) | Maison (40 000) | Aware (6 000 000) | Luc (9 000 000) | scorpion1664 (30 000) | lune (300 000) | [AF] nnjeremy (2 000 000) | godpiou (90 000 000) | Elite (60 000) | Martin (9 000 000) |

WCG, FightAIDS@Home

traduction: Maugou, un grand merci pour ce précieux document. 

Une décennie de progrès et ce n'est que le début de notre lutte contre le sida

Par: Dr Arthur Olson
Professeur, Institut de recherche Scripps
11 Nov. 2015

Récapitulatif

Dans cette vaste mise à jour, le Prof. Art Olson, chef de l'équipe FightAIDS@Home, récapitule presque une décennie de progrès dans la lutte contre le sida: les nouvelles méthodes de calcul, une nouvelle compréhension des protéines clés du VIH, et d'énormes volumes de résultats de calcul qui ont seulement commencé à être explorés. Bien que la phase 1 se termine, la phase 2 de cet énorme projet continuera à faire avancer la recherche vitale sur le virus le plus meurtrier du Monde.


Le projet FightAIDS@Home (FAAH) a rejoint le World Community Grid il y a près de 10 ans, et, est son plus long projet fonctionnant en continu. la phase 1 est proche de son terme, c'est donc un bon moment pour donner, aux bénévoles du World Community Grid, un résumé sur qui nous sommes, de ce que nos objectifs ont été, de quelles approches de calcul ont été permises par les ressources que vous avez fournies, et de ce que nous avons accompli jusqu'ici. Nous sommes constamment conscients que cette recherche est seulement possible grâce à votre générosité incroyable, et nous espérons que vous pourrez tous rester impliqués dans la phase 2 de notre travail.


Qui est derrière FightAIDS@Home?

FAAH, qui utilise des études numériques pour aider à faire progresser la recherche de nouveaux traitements contre le VIH / sida, a commencé sur Entropia (une plate-forme de calcul distribué aujourd'hui disparue) en 2000 avec une collaboration entre Scott Kurowski, Tim Cusac, Dr. Garrett Morris, et moi-même.
Le 21 Novembre 2005, FAAH a rejoint le World Community Grid. Au cours de la dernière décennie, la puissance de calcul sans cesse croissante, fournie par les bénévoles du World Community Grid, nous a permis d'élargir l'échelle de notre recherche sur le VIH par de nombreux ordres de grandeur. Comme un bonus supplémentaire, ces énormes ressources nous ont aussi inspirés pour créer de nouveaux outils et stratégies afin d'exploiter le potentiel offert par le World Community Grid. Ces outils ne permettent pas seulement d'accroître l'efficacité et la précision de nos propres études numériques axées contre le VIH, mais aident aussi à faire avancer la recherche que la communauté scientifique poursuit contre d'autres maladies.

Le projet FightAIDS@Home a été mené dans le laboratoire Olson par une succession d'ingénieurs de recherche post-doctorants dédiés (postdoctorales Research Associates) au cours des 10 dernières années. Garrett Morris, William "Lindy" Lindstrom, Alex Perryman, et Daniel Santiago ont tour à tour pris les devants dans la gestion de nos expériences de calcul sur le World Community Grid. Ils ont été aidés, au fil des ans, par plusieurs membres du laboratoire, y compris Michael Pique, Ruth Huey, Stefano Forli, Sargis Dallakyan, Alex Gillet, et Max Chang. Comme dans la plupart des laboratoires universitaires, les "postdocs" restent pour une période de 2 à 4 ans et passent ensuite à des postes permanents. Daniel Santiago vient de quitter le laboratoire, et nous passons actuellement des entretiens pour un nouveau post-doctorant afin de prendre sa place.

Objectifs de FightAIDS@Home

Le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), qui cause le syndrome d'immunodéficience acquise (SIDA), a infecté plus de 70 millions de personnes dans le monde depuis que cette pandémie a commencé. Actuellement, plus de 35 millions de personnes sont infectées par le VIH, et il y a plus de 2 millions de nouvelles infections chaque année. Près d'un million de personnes meurent du sida chaque année, ce qui fait du VIH, le virus le plus meurtrier qui afflige l'Humanité.

Le laboratoire Olson s'intéresse à comprendre les mécanismes moléculaires responsables de l'évolution de la résistance aux médicaments contre le VIH, et à utiliser cette compréhension pour aider à développer de nouvelles approches thérapeutiques afin de traiter les personnes infectées par le VIH. Je dirige un centre, financé par le NIH appelé le HIVE (Interaction VIH et évolution virale) Center, qui est composé de 14 laboratoires individuels dans 8 institutions différentes à travers le pays. Le laboratoire Olson, ainsi que celui du professeur Ron Levy à l'Université Temple, est impliqué dans les aspects de calcul des objectifs du Centre. Notre approche du problème de la résistance aux médicaments a été de simuler les interactions des molécules organiques synthétiques avec des protéines virales afin de prédire quels sont cellles qui peuvent se lier à et affecter l'activité de ces protéines. Pour ce faire, mon laboratoire a développé et utilisé deux programmes d'amarrage moléculaire Autodock et AutoDock Vina pour cibler de grandes bibliothèques de composés chimiques. L'objectif principal de ces calculs est de découvrir quels composés peuvent potentiellement interagir avec et inhiber les activités des mutations de protéines, dites de type naturel et résistantes aux médicaments, qui ont évolué chez les patients traités. Les protéines cibles primaires pour ce travail ont été la protéase du VIH (PR), l'intégrase (IN), et la transcriptase (RT) inverse. Ce sont les trois protéines pour lesquelles la FDA a approuvé les médicaments pour le traitement de patients infectés par le VIH. Ce sont aussi les trois enzymes que le virus produit pour accomplir les réactions chimiques qui soutiennent le cycle de vie viral. En utilisant les nombreuses données structurelles sur le "type naturel" et des protéines mutantes, ainsi que des données de mutation de patients infectés par le VIH traités, nous explorons des hypothèses et des relations entre la structure moléculaire et le développement de la résistance aux médicaments. Les ressources de calcul du World Community Grid ont été inestimables pour étendre nos approches computationnelles dans cet effort de recherche.

Dans les premières années de FAAH, les expériences impliquaient généralement l'évaluation de calcul de quelques milliers de composés contre une poche d'un type de la machinerie virale - le site actif de la protéase du VIH. Le "site actif" est la région où le travail chimique s'effectue par une enzyme. La protéase du VIH découpe la chaîne de polypeptide multi-protéique à plusieurs endroits spécifiques différents. En découpant cette chaîne multi-protéine en différentes morceaux, il permet alors à ces différentes protéines individuelles de se replier dans leurs formes matures normales, qui sont nécessaires pour leur fonctionnement. Ces protéines virales pliées travaillent ensemble pour créer de nouvelles particules de VIH qui échappent à la cellule infectée, maturent, et ensuite infectent de nouvelles cellules, ce qui propage l'infection chez le patient et permet à l'infection de se propager à de nouvelles personnes. Lorsque l'activité de la protéase du VIH est suffisamment perturbée, ces chaines polypeptidiques multi-protéiques virales ne sont plus séparées d'une manière bien ordonnée et efficace. Cela amène la cellule infectée à produire des particules immatures, non-fonctionnelles qui ne sont pas capables d'infecter d'autres cellules. De plus grande importance, lorsque les médicaments de la protéase du VIH ont été combinés avec des médicaments contre le VIH de la transcriptase inverse, le taux de mortalité associée à des infections par le VIH a diminué de façon drastique. Avant l'existence de médicaments VIH protéase, contracter le VIH était fondamentalement une sentence de mort rapide et horrible. Lorsque les médicaments de la protéase du VIH ont été combinés avec d'autres classes de médicaments anti-VIH, pour faire les cocktails de HAART (Highly Active AntiRetroviral Therapy), de nombreux patients atteints du VIH ont pu vivre une vie longue et productive avec une qualité de vie raisonnable. Cependant, puisque le VIH ne cesse d'évoluer dans des formes légèrement différentes qui sont en mesure de résister aux effets de ces médicaments (de nouvelles super bactéries mutantes multi-résistantes aux médicaments continuent d’apparaître et de se propager), nous avons besoin de découvrir de nouveaux types de médicaments et d'interventions thérapeutiques qui peuvent désactiver ces mutants.


World Community Grid permet des approches computationnelles sans précédent pour FAAH

Le problème de l'amarrage moléculaire est une recherche, de grande dimension, d'interactions possibles entre deux molécules, un composé chimique et une protéine virale cible. Il faut généralement générer des millions de poses des deux molécules interagissant, et pour chaque pose calculer l'énergie d'interaction entre elles. Cette évaluation de l'énergie est accomplie en faisant la somme des énergies d'interaction entre tous les atomes dans les deux molécules. Lorsque nous avons développé AutoDock en 1990, un seul amarrage prenait 20 minutes ou plus sur les ordinateurs les plus rapides de l'époque. Aujourd'hui, grâce à la loi de Moore, un tel calcul peut prendre quelques secondes à une minute en fonction de la complexité des molécules impliquées. Ainsi, la capacité de cribler de nombreuses molécules contre une protéine cible spécifique (par exemple de criblage virtuel) est devenue possible. Cependant, trouver une bonne molécule candidate qui se lie bien à un site fonctionnel sur une protéine, nécessite un criblage d'un très grand nombre de composés chimiques. Plus grande est la bibliothèque de composés, meilleures sont les chances qu'un bon composé "à succès" soit dans cette bibliothèque.

Avoir notre projet de FAAH sur le World Community Grid nous a permis d'exécuter des calculs qui auraient pris littéralement des centaines d'années sur plusieurs systèmes informatiques classiques. Nous sommes maintenant en mesure d'exécuter des criblages virtuels de bibliothèques chimiques, contre non pas une cible de protéine unique, mais plusieurs grandes sélections de protéines mutantes pharmaco-résistantes de cette cible virale. La puissance de calcul du World Community Grid nous a également permis d'augmenter la taille des bibliothèques que nous utilisons dans nos criblages virtuels. Auparavant, nous étions seulement capables de cribler des bibliothèques de quelques milliers de composés. Aujourd'hui, nous criblons généralement des bibliothèques combinées contenant plus de 5 millions de composés contre chaque cible de protéine du VIH. Cela nous donne une bien meilleure chance de trouver des molécules "à succès".

Un aspect essentiel de l'amarrage moléculaire est de savoir comment les molécules interagissant sont représentées ou modélisées. AutoDock était le premier code d'amarrage qui a permis au modèle du composé chimique d'être flexible lors de l'amarrage à une cible de protéine. Chaque liaison pouvant tourner dans le composé, et ajouter une nouvelle dimension à l'espace de recherche, qui doit être exploré, et par conséquent augmenter la complexité du calcul. A ce moment-là, la protéine cible devait être traitée comme une molécule rigide, car la complexité de sa flexibilité serait trop difficile à simuler informatiquement. Grâce à la puissance du World Community Grid, nous avons été en mesure de surmonter cette restriction, et avons mis en place différentes représentations de la flexibilité des protéines, nous donnant des modèles plus réalistes de la protéine cible. A ce jour, les bénévoles de FAAH ont fait don de plus de 340'000 années de temps de calcul à nos efforts de recherche.

Réalisations scientifiques

Par criblage de banques de composés à la fois contre "le type naturel" et de nombreuses versions mutantes de la protéase du VIH résistantes aux médicaments, nous avons été en mesure de caractériser la gamme des mutants qui existe et de les regrouper dans des variantes caractéristiques. Cela nous a donné un moyen de réduire le nombre de mutants prototypes de VIH PR que nous devons utiliser dans nos criblage virtuels, et nous a permis, ainsi qu'à d'autres, de concentrer notre attention sur les types de variations que le virus est capable de faire pour rester fonctionnel en présence de thérapies médicamenteuses.

Comme le nombre de bénévoles du World Community Grid et la quantité de don de puissance de calcul ont augmenté au fil des ans, nous avons été en mesure d'augmenter considérablement la taille et la complexité des types d'expériences que nous pouvions effectuer. Nous avons maintenant amarré des millions de composés à petites molécules contre plusieurs régions différentes de toutes les enzymes que produit le VIH, la protéase, la transcriptase inverse et l'intégrase. La transcriptase inverse du VIH est la partie de la machinerie virale qui fait de nouvelles copies de son matériel génétique. Il prend l'ARN du VIH à partir de la particule virale d'origine et permet une version plus stable de l'ADN de celui-ci (appelé ADNc ou de l'ADN complémentaire). l'intégrase du VIH traite ensuite l'ADN viral, en découpant chaque extrémité pour créer des "extrémités collantes" plus réactives. L'intégrase attache ensuite de façon permanente les extrémités cohésives de l'ADN viral dans notre ADN humain, pour créer une cellule infectée en permanence, qui pourra ensuite produire de nouvelles copies du virus. Ainsi, World Community Grid nous a permis d'évaluer par calcul des millions de composés sur de nombreuses régions différentes de l'ensemble de la machinerie virale, au lieu de ne pouvoir évaluer que des milliers de composés contre une région d'un type d'enzyme. Il nous faudra de nombreuses années pour analyser ces montagnes de données, sélectionner les composés candidats les plus prometteurs, et expérimentalement évaluer ces candidats dans des expériences de laboratoire "humide" effectués par nos collaborateurs. Mais nous avons créé de nouveaux outils pour nous aider à traiter et analyser ces données plus efficacement, et nous élaborons des approches supplémentaires pour nous aider à récolter des informations plus utiles et plus précises à partir des résultats que les bénévoles comme vous ont produites.

Plus récemment, nous avons tourné notre attention sur le concept de l'inhibition synergique de la fonction enzymatique VIH. En plus de cibler les sites actifs de ces enzymes, nous avons également été en mesure de rechercher de nouveaux inhibiteurs qui se lient à des sites "allostériques" sur chacune de ces nanomachines virales. Les inhibiteurs allostériques ont été découverts à la fois dans l'intégrase et la transcriptase inverse du VIH. La plupart des inhibiteurs désactivent la fonction d'une enzyme en se liant directement au "site actif" (la région spécifique d'une enzyme, où le travail chimique se produit) afin de l'empêcher de fonctionner. Les 9 médicaments de la protéase du VIH approuvés par la FDA sont un exemple de ces types classiques d'inhibiteurs: ils se lient à et bloquent le site actif dans le tunnel creux au centre de la protéase, ce qui empêche le polypeptide viral multi-protéine d'être capable de se lier à l'intérieur de ce tunnel et de se cliver. Les inhibiteurs allostériques travaillent d'une façon très différente, ils se lient à un site totalement différent, régulent la conformation et/ou la flexibilité de la totalité de la protéine cible, et désactivent ainsi le site actif. Ils se lient loin du site actif et projettent leur influence sur le reste de l'enzyme. L'inhibition allostérique est comme mettre un verrou sur les manches d'une paire de ciseaux pour empêcher les lames de pouvoir ouvrir et fermer, et couper des choses. Plus important encore, différentes expériences avec le VIH, le cancer et le paludisme ont montré que les combinaisons d'inhibiteurs allostériques et des inhibiteurs de site actif peuvent: (a) générer des thérapies combinées qui sont plus efficaces contre les superbactéries actuelles et (b) ralentir l'évolution des nouveaux mutants résistants aux médicaments.

Il n'y a pas d'inhibiteurs allostériques connus du VIH PR. Cependant, nous avons postulé qu'il peut exister des sites pour l'inhibition allostérique du VIH PR. Nous avons effectué des criblages FAAH virtuels contre les sites candidats, et nous avons constaté qu'il y a des composés chimiques qui peuvent se lier à ces sites. Ces observations expérimentales sont renforcées par des expériences de diffraction des rayons X sur PR en présence d'une banque de fragments chimiques. Observés dans ces expériences, 3 sites distals par rapport au site actif de la PR du VIH où des fragments chimiques se lient. Nous avons maintenant mis l'accent sur la recherche de meilleurs composés de liaison à ces sites à l'aide de nos cribles virtuels FAAH. Certains des résultats de ces cribles ont été vérifiés par cristallographie aux rayons X et spectroscopie RMN. La poursuite du développement et l'optimisation de ces résultats est en cours. Nous travaillons également en étroite collaboration avec d'autres chercheurs de HIVE Center, Prof. Kvaskhelia à l'Ohio State University, et le Pr Arnold à l'Université Rutgers sur l'amélioration de l'inhibition allostérique de l'intégrase du VIH et de transcriptase inverse, respectivement.

Comme indiqué ci-dessus, nous avons seulement gratté la surface en termes d'analyse des énormes ensembles de données qui ont été produites sur le World Community Grid. Typiquement, nous avons seulement sélectionné et examiné les très meilleurs candidats à partir d'un grand crible virtuel. Etant donné que l'évaluation de l'énergie d'amarrage est seulement une approximation grossière de la véritable énergie de liaison, nous pouvons, en fait, sélectionner des composés qui ne sont pas les meilleurs liants - soi-disant «faux positifs». Si nous proposons à nos collaborateurs de synthétiser ou acheter de tels composés, ça peut être très coûteux en temps et en argent. Ainsi, nous commençons plusieurs efforts pour réduire le nombre de faux positifs qui découlent de nos cribles virtuels. Certains de ces efforts impliquent l'exploration de données de tous les résultats de la FAAH, en regardant les modèles d'interaction de tous les composés qui sont ancrés. Ces données peuvent nous donner des signatures chimiques qui nous permettent de filtrer les faux positifs des vrais liants. Ce travail est en cours, mais les premiers résultats semblent très prometteurs.

Affinage des résultats

Une autre approche de ce problème qui a été développé en collaboration avec le laboratoire de Levy à l'Université Temple comporte une étape de calcul distincte qui évalue non seulement le composé à haut score d'un crible virtuel, mais un grand nombre des composés les mieux classés. Ce calcul utilise les estimations de l'énergie libre de liaison basée sur une dynamique moléculaire sophistiquée, qui demande trop de calcul difficile à réaliser au cours de l'amarrage de base, mais qui peut faire la différence entre les vrais et faux positifs ultérieurs à l'amarrage. Cette approche, appelée Bedam, est mis en œuvre avec un outil de simulation moléculaire appelé Académic IMPACT qui est en cours d'exécution sur la phase 2 de notre projet de FAAH sur le World Community Grid.

En résumé, les bénévoles du World Community Grid ont donné une ressource inestimable pour notre travail en cours dans la compréhension de la nature de la résistance aux médicaments contre le VIH. Comme avec la plupart des projets scientifiques, ainsi que des nouveaux résultats, de nouvelles questions se posent. Bien que nous avons encore à obtenir une image complète de l'évolution de la résistance du VIH aux médicaments ou de créer un nouveau médicament qui vainc la résistance du VIH, nous avons développé de nouvelles méthodologies de calcul et avons ouvert un certain nombre de pistes de recherche, qui peuvent conduire à de meilleures approches pour traiter et peut-être même guérir l'infection à VIH.

Un sincère merci à tous les bénévoles qui ont fait don de leur temps à ce projet. Et tandis que la phase initiale du projet FightAIDS@Home a pris fin, nous vous invitons à contribuer à la deuxième phase du projet.