Détecter les changements fonctionnels au niveau du protéome

Les protéines sont omniprésentes dans les cellules biologiques. Elles sont les éléments constitutifs de la vie et exercent d'innombrables fonctions importantes. ? tout moment, des milliers de protéines différentes sont présentes dans une cellule humaine, et chaque type de protéine est souvent présent en des centaines ou des milliers de copies à la fois.

Au cours des dernières années, les chercheurs ont réussi à saisir pleinement cette énorme diversité à l'aide d'appareils de mesure. Aujourd'hui, il est littéralement possible de relever d'un seul coup l'ensemble du protéome, c'est-à-dire toutes les espèces de protéines et leurs quantités, dans des cellules, des organes ou même des organismes. Ces approches protéomiques classiques permettent également de déterminer comment les quantités de chaque espèce protéique évoluent lorsque les conditions environnementales changent.

De nombreux événements moléculaires manqués

Mais il y a une chose que les écrans protéomiques classiques ne saisissaient pas jusqu'à présent : les nombreux événements moléculaires qui se déroulent simultanément dans les cellules et qui entra?nent des modifications fonctionnelles des protéines.

Ces événements comprennent des modifications chimiques des protéines elles-mêmes, telles que la phosphorylation, ainsi que des interactions avec d'autres protéines ou d'autres molécules. De tels événements moléculaires sont importants : de nombreux processus cellulaires, tels que les cascades de signalisation, reposent souvent exclusivement sur différents événements moléculaires et non sur l'adaptation des quantités de protéines. Ainsi, une cellule peut s'adapter très rapidement à de nouvelles circonstances avec le même ensemble de molécules de protéines, sans avoir à en fabriquer de nouvelles.

Les changements fonctionnels deviennent mesurables

Les chercheurs dirigés par Paola Picotti, professeure de biologie systémique moléculaire à l'ETH Zurich, ont donc supposé qu'ils pouvaient lire les modifications structurelles pour les événements moléculaires les plus divers qui entra?nent des changements fonctionnels des protéines.

Les biologistes du système ont développé une approche existante pour la saisie des protéomes afin de pouvoir détecter simultanément de telles modifications fonctionnelles des protéines dans les moindres détails.

Ils y sont désormais parvenus, comme ils l'ont récemment rapporté dans la revue spécialisée Cell. Gr?ce à cette nouvelle approche, les chercheurs peuvent désormais observer de nombreuses activités enzymatiques, des interactions moléculaires et des modifications chimiques. in situ, c'est-à-dire mesurer directement dans les fluides cellulaires.

Augmentation massive de la couverture

En tant que représentants de phénomènes moléculaires, les chercheurs mesurent les structures protéiques présentes dans un échantillon. En même temps, ils mesurent également leurs quantités. "Nous saisissons ainsi la majorité des événements qui influencent la fonction des protéines. Cela augmente considérablement la couverture", souligne Picotti.

La professeure de l'ETH a posé les bases de la nouvelle méthode il y a quelques années déjà. Gr?ce à une technique appelée Limited Proteolysis Mass Spectrometry (LiP-MS), elle et ses collaborateurs ont réussi à mesurer relativement facilement la majorité des protéines dans un échantillon biologique comme le jus de cellules de levure ou les fluides corporels issus de biopsies. Elle a ainsi également réussi à détecter différentes structures d'une seule et même protéine.

Des protéines mieux utilisables comme biomarqueurs

Pour tester la nouvelle approche LiP-MS, Picotti et ses collaborateurs ont passé au crible trois systèmes bien connus. Il s'est avéré que cette méthode leur permettait non seulement de détecter toutes les modifications fonctionnelles connues, mais aussi de découvrir des événements jusqu'alors inconnus. "Ainsi, nous pouvons désormais saisir un nombre beaucoup plus élevé de processus biologiques modifiés que par la seule mesure de l'abondance des protéines", explique Picotti. Il s'agit d'une étape importante pour rendre les protéines, leurs structures et leurs fonctions modifiées plus utilisables à l'avenir en tant que biomarqueurs valables.

Les chercheurs ont testé leur concept entre autres sur des cellules de levure en les soumettant à un stress salin. Après un court laps de temps, les cellules ont mis en marche une voie de signalisation spéciale pour faire face à la concentration élevée de sel dans leur environnement. Lorsque cette voie de signalisation est activée, des phosphates sont "annexés" à certaines protéines, appelées phosphorylées, d'autres interagissent avec d'autres molécules et certaines modifient leur activité. Cela a eu pour effet de modifier la structure des enzymes - et donc leur fonction.

Les chercheuses de l'ETH ont constaté que sur un total de 3500 types de protéines différentes présentes dans les levures, plus de 300 ont changé de forme lors de cette expérience. Seules 30 d'entre elles ont vu leur fréquence changer. "Cela signifie que les cellules ne produisent pas un nombre particulièrement élevé de protéines en réponse à de nouveaux stimuli de courte durée ou à un stress aigu, mais qu'elles transforment les protéines existantes et modifient leurs fonctions".

Une fois le stress surmonté, les molécules transformées peuvent être ramenées à leur état d'origine. Ainsi, le nombre de protéines dans les cellules reste assez constant au fil du temps. C'est un avantage pour la cellule : produire de nouvelles molécules demande beaucoup de temps et d'énergie. Le remodelage, en revanche, s'effectue en quelques secondes avec une faible dépense d'énergie.

Un outil de diagnostic prometteur

Dans le cadre d'un projet, Picotti a déjà testé la méthode sur une maladie humaine. Avec ses collaborateurs, elle a ainsi comparé plusieurs centaines d'échantillons de patients atteints de la maladie de Parkinson avec ceux de personnes en bonne santé, afin de trouver des biomarqueurs structurels de la maladie.

Conclusion provisoire : "Dans ce cas, la quantité de protéines à elle seule n'est pas utilisable à des fins de diagnostic", explique Picotti. La majorité des protéines étaient à peu près aussi fréquentes chez les personnes saines que chez les malades. Mais si les chercheurs recherchaient différentes structures de la même protéine, les choses semblaient plus prometteuses. Un grand nombre de protéines présentaient des structures modifiées dans les échantillons des patients. Cette approche est donc prometteuse en tant qu'outil de diagnostic. Mais il reste encore à étudier si elle pourrait également servir au dépistage précoce.

Un spin-off de l'ETH propose une méthode à des fins commerciales

Les chercheurs ont déjà fait breveter leur approche. Le spin-off de l'ETH Biognosys, spécialisé dans la protéomique, a obtenu une licence pour la méthode et la propose avec succès dans le commerce afin d'analyser les modifications de la structure des protéines sur des échantillons destinés au développement de médicaments. La nouvelle approche suscite également un grand intérêt dans le monde académique. "Chaque semaine, je re?ois plusieurs demandes de chercheurs extérieurs à la Suisse, qui me demandent si mon laboratoire peut analyser des échantillons pour eux. Nous ne pouvons toutefois pas répondre à toutes ces demandes, car nous n'avons pas les capacités pour le faire", explique Picotti.