Partie de pêche : un criblage du réseau de protéines identifie de nouvelles cibles thérapeutiques dans la maladie de Huntington
Un criblage « axé sur la découverte » révèle de nouveaux réseaux de protéines impliqués dans les dommages causés par la maladie de Huntington et de nouvelles cibles médicamenteuses
La protéine huntingtine mutante ne cause pas de dommages de manière isolée : toutes les protéines fonctionnent dans des réseaux connectés. Des chercheurs du Buck Institute for Research on Aging, en Californie, ont mené un criblage à grande échelle pour identifier les réseaux de protéines qui pourraient agir pour soulager ou aggraver les effets néfastes de la mutation de la maladie de Huntington. La manipulation de ces réseaux pourrait-elle offrir de nouvelles options thérapeutiques pour la MH ?
La protéine huntingtine : aller au fond des choses
L’année 2013 marque le 20e anniversaire de la découverte de la cause génétique de la maladie de Huntington. Pour la première fois, les scientifiques ont appris qu’une séquence d’ADN répétée dans un seul gène était anormalement longue chez les personnes qui développent la MH. Chacun de nos gènes fournit les instructions dont nos cellules ont besoin pour fabriquer une protéine particulière, qui, dans le cas du gène de la MH, est une protéine que nous appelons huntingtine. La mutation de cet ensemble d’instructions génétiques entraîne la fabrication de la protéine huntingtine avec une erreur, ce qui entraîne de subtils changements dans le comportement cellulaire de la protéine. Au fur et à mesure qu’une personne atteinte de la MH vieillit, ces changements ont de graves conséquences, en particulier dans les neurones du cerveau.
Cette découverte révolutionnaire a permis aux scientifiques de concentrer leurs efforts sur une tâche très précise : afin de vraiment comprendre la maladie, ils devraient apprendre tout ce qu’ils peuvent sur la protéine huntingtine elle-même. Cela signifie qu’il faut savoir non seulement ce que fait la protéine huntingtine dans le corps d’une personne saine, mais aussi ce qui ne va pas dans la maladie.
Qu’est-ce qui pourrait être si important dans une protéine ?
On dit souvent que les protéines ont des « fonctions » spécifiques dans la cellule. Pour comprendre ce que cela signifie, il peut être utile d’imaginer chaque cellule de notre corps comme une usine très active. Il faut beaucoup de personnes différentes qui effectuent de nombreux travaux différents pour assurer le bon fonctionnement d’une usine. Tous ces employés ont un ensemble de compétences spécifiques, et si une seule personne ne fait pas son travail correctement, la productivité de l’ensemble de l’usine est menacée.
Eh bien, si nos cellules sont comme des usines, les protéines seraient les employés. Tout comme les travailleurs individuels, chaque protéine doit effectuer un ensemble de tâches, ou de « fonctions ». Lorsque la protéine huntingtine est mutée dans la MH, cela affecte la façon dont la huntingtine exerce ses fonctions.
Tout comme personne ne pourrait effectuer tous les travaux dans l’usine, aucune protéine ne travaille complètement seule. Au lieu de cela, elle existe dans le cadre d’un réseau de protéines qui interagissent les unes avec les autres pour travailler efficacement en équipe. Ainsi, pour comprendre la fonction d’une protéine, les scientifiques doivent également déterminer la relation qu’elle entretient avec d’autres protéines dans la cellule.
On estime que notre ADN fournit les instructions pour construire plus de 30 000 protéines différentes. Comprendre comment toutes ces protéines sont connectées les unes aux autres et comment elles pourraient être affectées dans la MH devient un défi presque insurmontable.
Hypothèse et découverte
Pour aider à faire face à la complexité de la biologie moderne, certains chercheurs sont passés de la recherche traditionnelle « axée sur l’hypothèse » à une approche appelée recherche « axée sur la découverte ».
Une hypothèse est une prédiction qu’un scientifique fait en fonction de ce qu’il sait déjà. Une bonne hypothèse est une hypothèse qui peut être facilement testée. Voici un exemple simple : disons que nous émettons l’hypothèse que les chats préfèrent manger du poulet plutôt que du thon. Une façon de tester cela pourrait être de mettre deux bols, un contenant chaque choix. En comptant le nombre de chats différents qui s’approchent de chaque bol, des preuves seront fournies pour soutenir ou rejeter l’hypothèse.
La recherche axée sur l’hypothèse fonctionne très bien, à condition que vous en sachiez déjà beaucoup sur la chose particulière que vous étudiez. Cependant, lorsque l’on cherche à déterminer ce qu’une protéine fait dans un réseau de milliers d’autres protéines différentes, les progrès peuvent être assez lents si l’on ne pose qu’une seule question à la fois. Imaginez que vous vouliez savoir quel était l’aliment préféré des chats parmi 30 000 aliments, mais que vous ne puissiez en tester que deux à la fois !
La recherche axée sur la découverte est un moyen de mettre en évidence les processus biologiques qui pourraient être impliqués dans une maladie. On pourrait dire que cette approche ne génère pas des réponses, mais de
Les expériences axées sur la découverte, appelées criblages, impliquent des milliers de mini-expériences différentes menées simultanément.
« Certains des réseaux étaient déjà connus grâce à des études antérieures, mais certains n’avaient pas été impliqués dans la MH auparavant. »
À certains égards, les criblages biologiques sont un peu comme la différence entre la pêche au chalut et la pêche à la ligne. C’est une technique puissante, mais qui demande plus d’efforts pour trier ce qui est pêché.
Silenciation de gènes individuels avec l’ARNi
Une nouvelle étude publiée dans la revue PLOS Genetics, dirigée par le Dr Robert Hughes du California Buck Institute for Research on Aging, décrit un criblage axé sur la découverte à la recherche de réseaux de protéines qui sont affectés par la huntingtine mutante. En utilisant une technologie appelée ARNi, l’équipe de Hughes a travaillé à identifier les protéines individuelles qui pourraient contribuer aux effets néfastes de la protéine mutante.
ARNi signifie interférence ARN, et est une forme de « silenciation génique ». L’ARNi est utilisé pour réduire le niveau d’une seule protéine dans la cellule. Cela permet de déterminer ce que cette protéine pourrait faire et son importance pour d’autres activités cellulaires.
L’ARNi intercepte le message chimique qui est produit lorsqu’une protéine est fabriquée, et le détruit, empêchant ainsi la protéine d’être construite. Pratiquement n’importe quel gène et sa protéine correspondante peuvent être ciblés en utilisant l’ARNi.
Un criblage d’ARNi et quelques fragments toxiques
Tout d’abord, l’équipe de Hughes a cultivé en laboratoire des cellules qui avaient été génétiquement modifiées pour leur faire produire la partie la plus dommageable de la protéine huntingtine mutante. Ce « fragment » de huntingtine mutante provoque la mort plus rapide des cellules si les nutriments appropriés ne sont pas disponibles. La santé des cellules peut être évaluée en mesurant les changements qui se produisent lorsqu’une cellule est en train de mourir.
Pour identifier les protéines impliquées dans les effets néfastes de la huntingtine mutante, le Dr Hughes et ses collègues ont utilisé une « bibliothèque » de plus de 7 000 produits chimiques d’ARNi, chacun ciblant une protéine différente.
Ces 7 000 produits chimiques d’ARNi ont chacun été testés sur un lot de cellules distinct. De cette façon, les chercheurs ont pu analyser les effets de chaque protéine qui a été « désactivée ». Si la silenciation d’un gène accélère la mort des cellules, cela suggère que la protéine correspondante pourrait normalement protéger la cellule. Et si les cellules meurent plus lentement, cela signifie que la protéine pourrait aggraver les choses dans la MH.
Analyse des chiffres
Des expériences comme celle-ci produisent une tonne de données, de sorte que les ordinateurs sont utilisés pour les analyser et leur donner un sens. Heureusement, de nombreux réseaux de protéines ont déjà été cartographiés en utilisant des approches scientifiques plus traditionnelles.
L’ordinateur crée une nouvelle carte, plaçant les « hits » des nouvelles données sur la carte de réseau existante. En utilisant cette technique, l’équipe de Hughes a trouvé certains réseaux qui avaient plus de hits que prévu, ce qui indique qu’ils pourraient être importants pour le développement de la maladie de Huntington.
Certains de ces réseaux étaient déjà connus grâce à des études antérieures, ce qui a donné aux scientifiques la certitude que leur approche axée sur la découverte fonctionnait. Cependant, ils ont également rencontré des réseaux qui n’avaient pas été impliqués dans la MH auparavant. Un réseau en particulier, connecté à la huntingtine par le biais d’une protéine appelée RRAS, a été mis en évidence par le criblage.
En raison du grand nombre de personnes impliquées, il est important de faire des expériences de suivi distinctes pour vérifier les résultats les plus frappants. L’équipe de Hughes a donc mené des expériences dans plusieurs modèles cellulaires différents, ainsi que dans un modèle de mouche à fruits MH, et a constaté que RRAS était capable de protéger contre la mort cellulaire. Mieux encore, ils ont été en mesure de déterminer les activités spécifiques des protéines au sein du réseau qui pourraient être les plus faciles à cibler avec des médicaments.
Connaître nos limites
L’aspect le plus intéressant de cette étude est qu’elle a mis en évidence de nouveaux réseaux qui pourraient être impliqués dans la maladie de Huntington. Cependant, tout comme il n’existe pas de filet de pêche assez grand pour pêcher dans tout l’océan, certains réseaux de protéines importants ont probablement été manqués avec ce travail.
L’une des raisons en est le modèle cellulaire utilisé dans le criblage. Au lieu de faire produire aux cellules le gène de la huntingtine mutante pleine longueur, les chercheurs ont choisi d’utiliser uniquement un petit fragment. Cela signifie que toutes les protéines ou tous les réseaux qui dépendent de la protéine huntingtine pleine longueur auront été manqués.
Une autre raison est le type de cellule utilisé dans les expériences. Ce travail a été fait avec des cellules disponibles dans le commerce appelées HEK293. Ces cellules sont faciles à cultiver en grands lots pour des expériences à grande échelle comme celle-ci. Mais après avoir été modifiées pour avoir des propriétés aussi faciles à vivre, elles ne se comportent plus de la même manière qu’une cellule normale et saine dans le corps, et sont certainement très différentes des neurones.
Pour compenser ces faiblesses potentielles dans le modèle expérimental du criblage initial, tous les « hits » d’ARNi ont été retestés dans des lignées cellulaires qui produisent de la huntingtine pleine longueur, ainsi que dans des modèles de mouches à fruits plus complexes de la maladie. Et le réseau RRAS a été examiné dans un modèle de souris MH.
Quelle est la prochaine étape ?
Ce travail représente un effort majeur de la part des chercheurs impliqués. Les criblages biologiques nécessitent beaucoup de planification minutieuse ! Cependant, avec cette étude à leur actif, l’équipe pourrait poursuivre ce travail en effectuant un criblage similaire dans des cellules contenant de la huntingtine pleine longueur.
En ce qui concerne les hits du criblage actuel, il y a encore tellement plus à explorer. Une approche pourrait être d’étudier le réseau RRAS, ou même de répéter le criblage, dans des modèles cellulaires plus « précis », tels que des cellules souches générées à partir de vrais patients atteints de la MH.
Quel que soit l’avenir de cette recherche, c’est un bon exemple de la façon dont la recherche axée sur la découverte peut générer de nouvelles cibles et de nouvelles idées, à condition que nous restions conscients des limites des techniques. Nous sommes impatients d’en apprendre davantage sur la façon dont ces nouveaux réseaux de protéines influencent le développement de la MH, ainsi que sur la façon dont ils pourraient être manipulés dans la recherche de traitements.
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Sources et références
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