Cet article donne un éclairage sur la notion de RMSD et relativise son utilisation, qui correspond souvent à l’application systématique d’un dogme. Dans un contexte docking, le RMSD est une mesure de l’écart entre deux conformations tridimensionnelles d’une même molécule (Root-Mean-Square Deviation of atomic positions).
D’une manière générale, nous considérons qu’en termes de reproduction de poses cristallographiques, un RMSD < 0.6 Å est excellent, un RMSD < 1.0 Å est bon, un RMSD < 1.3 Å est acceptable, au delà cela dépendra de la taille et de la structure du ligand. Par exemple, si le ligand possède des chaines aliphatiques il y a souvent des effets de compensation qui sont liés à la fluctuation de ces chaines et la modélisation devient difficile au delà d’une vingtaine d’angles de torsion. De même avec des ligands comportant des cycles à 6 chainons, aromatiques ou non, si ceux-ci se croisent (tilt) ou sont décalés, le RMSD peut rapidement augmenter, car c’est la contribution de chaque atome du cycle qui s’additionne.  A partir de 1.6 Å, nous questionnons généralement en cause le paramétrage de la modélisation. Ce qui est important de comprendre, en termes d’optimisation d’un RMSD, c’est qu’un nombre faible  (molécule peu flexible) ou trop élevé d’angles de torsions, ne sont pas particulièrement avantageux.

D’après un article publié dans buildblog.buidez.net en 2021 – Mise à jour mars 2025.

1. Cas d’étude

Pour cet exemple nous utiliserons des résultats d’arrimage moléculaire du JPL (dérivé du triclosan, TCL) vis à vis de 2 structures de l’enzyme InhA (Enoyl-ACP reductase / système FAS-II / 1.3.1.9) de Mycobacterium tuberculosis : 1P45 [Kuo_2003] et 3FNG [Freundlich_2009].
Le JPL est un dérivé du triclosan, à la suite, les images de droite montrent les structures développées du JPL et du TCL. Les sous-structures communes sont marquées avec un halo vert. Dans le cas du JPL, le troisième atome de chlore (à droite) est remplacé par un petit bras (à un carbone) portant un cyclohexane.
L’image de gauche montre l’alignement de 1P45a (surfaces pleines en vert) et de 3FNG_ (surfaces fil de fer, marron). Nous constatons immédiatement que la cavité de 3FNG_ est moins ouverte, coté portail majeur (à gauche) que celle de 1P45a. En effet, une molécule de triclosan (TCL, Rose, de 1P45a) et le THT (blanc, aligné à partir de 1BVRa) sont partiellement sous la surface de 3FNG_.
Par contre, au centre du site, en vis à vis du cofacteur (NAD, jaune, de 1P45a) le JPL (marron, de 3FNG_) est aligné avec l’autre triclosan (bleu clair) de 1P45a. Les NAD sont quasiment similaires dans les deux protéines 1P45a et 3FNG_ (non montré).

JPL TCL

2. Arrimage de JPL dans 1P45a

Au moyen d’un protocole 1P45a_OPT_MolDock_Flex_Tmpl nous obtenions deux poses d’intérêt: une pose forte [12]JPL et une pose quasi-forte [02]JPL (image suivante), voir l’article [Fondamentaux de l’analyse des poses] pour la terminologie.
Les deux poses (en gris) correspondaient à des critères de quasi-conformité, à savoir 3 liaisons hydrogènes avec le cofacteur NAD (en jaune) et une liaison hydrogène avec TYR158 pour la pose [02].

La pose [02] était affectée d’un RMSD de 0.86 Å et la pose [12] d’un RMSD de 0.97 Å, il y avait donc une certaine corrélation entre force, conformité et RMSD, sans pour autant atteindre une superposition idéale avec le JPL cristallographique (en marron). Donc la modélisation est en partie décevante, à cause de cette superposition non complète. Sauf … qu’il ne faut pas oublier qu’il s’agit du JPL dans 1P45a, et non dans 3FNG_ (la structure correspondant à la position de référence du JPL).

3. Arrimage du JPL dans 3FNG_

Curieux, nous allons réaliser la modélisation, avec les mêmes paramètres dans 3FNG_, donc un protocole 3FNG_OPT_MolDock_Flex_Tmpl et l’image suivante montre que nous atteignons de meilleurs résultats, en termes de conformité et de RMSD. Les poses [03, 08, 07] sont affichées en gris, et ces trois poses sont conformes en termes d’alignement et de conservation du réseau nominal (typique, canonique) de liaisons hydrogènes (TYR158 et 3 liaisons avec le cofacteur). Les poses [03] et [08] sont fortes, les RMSD de [03, 07] sont nettement inférieurs à 0.7 Å.

Que peut nous apprendre ce bon résultat ? La première remarque est que le cyclohexane ‘résiste’ … sa conformation avec une rotation, limite l’obtention d’un RMSD ultimement bas. C’est souvent le cas avec certains groupements. Ici la conformation en chaise ou bateau du cycle peut créer des compensations: les atomes ne sont pas superposés, mais l’ensemble rentre dans l’enveloppe générale, certains atomes passant sous le plan du cycle de référence, d’autres au dessus. La seconde remarque est que très peu de divergences peuvent défavoriser le RMSD, nous le voyons dans le cas de la pose [08] (RMSD = 1.1 Å) que l’on pourrait pourtant qualifier de forte et conforme, mais dont le RMSD n’est pas (relativement) bon.

4. Ce qui est important

A ce niveau, il faut donc comprendre ce qui va être important à prendre en compte dans la modélisation. Dans ce cas d’espèce, il faut absolument reproduire la partie triclosan et faire au mieux avec la partie de droite qui peut porter différentes substitutions: cycles, chaines carbonées plus ou moins longues et fonctionnalisées.
Après l’alignement des protéines, les structures des ligands montrent qu’il y a des fluctuations dans les enveloppes : i) au niveau de la zone qui correspond au cyclohexane du JPL (à droite) mais aussi ii) du coté (gauche) du cycle aromatique portant les deux chlores et enfin iii) dans la partie centrale (bien que plus limitées) porteuse des interactions hydrogènes avec NAD et TYR158.
Visuellement, nous constatons que ces fluctuations rentrent dans une variation qui est au moins (si ce n’est plus) équivalente à nos RMSD entre 0.6 et 1.1 Å issus de la modélisation du JPL. Lorsque la formule du ligand s’éloigne significativement du TCL/JPL, l’enveloppe générale en U, dans le plan du THT, reste conservée, mais les fluctuations s’intensifient (non montré).

Structures de ligands dans 1P45a après alignement des protéines correspondantes : JPL de 3FNG_, 5PP de 2B36a, 8PS de 2B37c, TCU de 2X22a, TCU de 2X23a, 8PC de 3FNEa, JPM de 3FNFa, JPJ de 3FNH_, TCL_400 de 1P45a.

Il n’y a aucune raison que ces fluctuations ne se retrouvent pas dans la modélisation, d’autant plus qu’elles sont aussi dépendantes (ou induisent) la structure de cavités qui sont très différentes. Par exemple 2X22a et 2X23a montrent un portail mineur ouvert et un portail majeur réduit, 3FNG_ étant une sorte d’intermédiaire entre ces structures et une cavité largement ouverte sur le portail majeur (1P45a, 1BVRa). Et ceci, même si nous utilisons une modélisation capable de prendre en compte la flexibilité du site de liaison.

5. Conclusion

A la lumière de ces résultats est ce que nous remettons en cause la modélisation de JPL dans 1P45a en application du dogme ? Cet exemple montre qu’il vaut mieux s’appuyer sur une analyse structurale complète qui nous fournit des connaissances plutôt que sur un critère automatique. Le RMSD est une donnée importante en termes de mise au point des conditions de calcul, mais des effets de compensation peuvent impacter d’une manière dramatique sur cette valeur. Alors que globalement la pose choisie correspondra à une corrélation force-conformité. Dans un espace d’incertitudes, il faut donc apprendre à moduler cette valeur par d’autres critères, qui sont bien plus importants en terme d’interprétation des résultats.