Comprendre les mutations à différents niveaux de la cellule
Des chercheurs réunis autour du professeur émérite de l'ETH Ruedi Aebersold ont montré de manière exemplaire comment les mutations dans un gène se répercutent sur la structure, la fonction et le réseau d'interaction d'un complexe de protéines. Ce travail constitue une base importante pour la médecine personnalisée.
Dans les années 1990, les scientifiques ont proclamé l'ère du génome. Par la suite, le patrimoine génétique, l'ADN, de nombreux organismes a été déterminé brique par brique. On pense par exemple au projet Génome humain. En 2003, les chercheurs qui y ont participé ont prétendu avoir décrypté l'ensemble du génome - c'est-à-dire la séquence complète des éléments constitutifs - d'un être humain.
Cette activité intense a toutefois permis de découvrir de très nombreuses mutations, c'est-à-dire des modifications de certains gènes. Il existe aujourd'hui d'énormes bases de données qui répertorient ces mutations. Mais elles ne sont toujours qu'incomplètement comprises - ou pas du tout.
"L'ADN contient les instructions de construction des protéines", explique Martin Mehnert, ancien post-doctorant auprès du professeur de biologie systémique Ruedi Aebersold. "Si le mode d'emploi est défectueux, cela peut avoir des répercussions sur les protéines, leurs fonctions et leurs activités ainsi que sur leurs interactions avec d'autres molécules". On ignore en grande partie comment de telles erreurs de mode d'emploi se répercutent réellement dans le détail.
C'est là qu'interviennent les chercheurs de l'ETH. Dans une étude parue dans Nature Communications, ils montrent comment des mutations dans un gène de l'enzyme Dyrk2 se répercutent sur la protéine elle-même, sa structure, sa fonction et son réseau d'interaction.
L'enzyme Dyrk2, une kinase, fait partie d'un complexe protéique qui contient une autre enzyme et un site d'arrimage pour diverses autres protéines qui sont traitées par les enzymes.
Dyrk2 est responsable de la phosphorylation. Pour ce faire, l'enzyme lie une molécule de phosphate à des sites spécifiques d'autres protéines. La deuxième enzyme du complexe, une ligase, fixe ensuite plusieurs molécules d'ubiquitine sur les protéines phosphorylées. Cela permet à la protéine marquée en conséquence d'être envoyée vers un broyeur moléculaire.
Mesurer les effets des mutations
Pour leur étude, les chercheurs de l'ETH ont sélectionné six mutations connues du gène Dyrk2 dans une base de données. Pour chaque mutation, les bioinformaticiens avaient calculé au préalable l'ampleur possible des dommages, le "Damage Probability Score".
Afin de saisir les conséquences effectives des mutations du gène Dyrk2 au niveau cellulaire, les chercheurs ont mesuré toutes les protéines et leurs phosphorylations présentes dans la cellule à l'aide de différentes méthodes de spectrométrie de masse - ce que l'on appelle le protéome. "La particularité de ce travail réside dans le fait que la protéomique nous permet de mesurer simultanément l'empreinte des mutations sur différents systèmes cellulaires", explique Martin Mehnert, qui a travaillé cinq ans sur ce projet en tant que boursier EMBO. Ruedi Aebersold a financé l'étude avec son deuxième ERC Advanced Grant.
Des mutations silencieuses et dévastatrices découvertes
Les analyses du protéome ont montré qu'un seul élément de construction modifié du gène Dyrk2 peut déjà influencer la cellule à différents niveaux : Cela concerne la disposition spatiale de l'enzyme, ses interactions avec d'autres protéines jusqu'au phosphoprotéome, c'est-à-dire l'ensemble des protéines équipées de phosphates.
Certaines des mutations étudiées ont affecté la fonction et l'activité du complexe de manière si massive que les deux enzymes du complexe ne peuvent plus interagir entre elles. Cela conduit à des dysfonctionnements et finalement à la désintégration du complexe, ce qui peut à son tour avoir des répercussions sur d'autres systèmes cellulaires.
Cependant, toutes les mutations ne s'accompagnent pas de dommages. Certaines des modifications génétiques étudiées étaient plut?t "silencieuses", c'est-à-dire sans conséquence pour la fonction, la structure et le réseau d'interaction du complexe enzymatique.
L'ampleur a surpris les chercheurs
"Nous avons toutefois été surpris par les conséquences très différentes des mutations, car le 'Damage Probability Score' calculé pour ces modifications était très similaire. De plus, nous ne nous attendions pas à ce que des mutations ponctuelles isolées puissent avoir un effet aussi important sur les interactions entre les protéines", explique Mehnert.
Les expériences ont également montré que les prédictions calculées à l'aide d'algorithmes ne sont pas toujours correctes. "Pour comprendre les maladies, il faut donc aller au-delà des études génomiques et vérifier expérimentalement les interactions au niveau des protéines et de leurs réseaux", explique le biologiste des systèmes.
Vers une médecine personnalisée
Les méthodes modernes de spectrométrie de masse permettent de plus en plus de saisir simultanément des milliers de protéines de manière qualitative et quantitative. Certes, les chercheurs autour d'Aebersold ne démontrent pour l'instant le potentiel de leur procédé que sur un seul complexe de protéines. A l'avenir, l'automatisation ainsi que de nouveaux appareils d'analyse et méthodes de mesure plus rapides pourraient permettre d'observer des douzaines de complexes de ce type en peu de temps.
Ces découvertes sont une pierre angulaire de la médecine personnalisée de demain. Jusqu'à présent, la clinique n'utilisait souvent que des protéines isolées comme marqueurs de certaines tumeurs, par exemple pour savoir si le marqueur était présent en grande ou en petite quantité dans les cellules. "Mais cela ne dit pas grand-chose sur le mécanisme ou les voies de signalisation, ou si une mutation est pertinente ou non pour la maladie", explique Mehnert. Selon lui, les analyses protéomiques permettent de bien mieux comprendre ce que les mutations provoquent dans le corps et quel traitement pourrait effectivement aider.
Les mutations du complexe enzymatique utilisé dans cette étude sont liées au cancer du sein. Cependant, Dyrk2 semble également être modifié dans d'autres types de cancer. Certains chercheurs indiquent que cette enzyme pourrait jouer un r?le dans le développement du cancer parce qu'elle phosphopryle le suppresseur de tumeur P53 et influence ainsi sa stabilité. Dyrk2 joue également un r?le dans la réparation des dommages causés à l'ADN.
Malgré son r?le important dans le cycle cellulaire, cette enzyme a été plut?t négligée par la recherche jusqu'à présent. C'est l'une des raisons pour lesquelles Mehnert et ses collègues ont voulu l'analyser plus en détail.
"Bien s?r, les présents résultats ne sont qu'une première étape. Mais il serait judicieux de poursuivre ce concept ici et de l'appliquer à l'avenir à plusieurs complexes de protéines", souligne le biologiste des systèmes.
Référence bibliographique
Mehner M, Ciuffa R, Frommelt F et al : Multi-layered proteomic analyses decode compositional and functional effects of cancer mutations on kinase complexes. Nat Commun 11, 16 juillet 2020, doi : page externehttps://doi.org/10.1038/s41467-020-17387-y