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Science et recherche

Protéomique

La protéomique, terme couvrant plusieurs disciplines visant à comprendre et à surveiller les protéines, est un domaine nouveau. Le Projet du génome humain a dévoilé un aspect important de la base moléculaire de la vie : l'ADN fabrique l'ARN qui fabrique les protéines. Toutes les protéines humaines sont déterminées par la séquence de nucléotides (base ADN), qui est maintenant connue avec 99,6 p. 100 d'exactitude. Après que les scientifiques ont découvert qu'il y avait de petites variations (différences ou changements) dans le contenu des nucléotides présents dans les gènes des gens, il est devenu possible de procéder à des tests génétiques afin de prédire les réactions aux médicaments.

Pendant des années, les médicaments traditionnels ont ciblé les protéines. Toutefois, même après la publication du génome humain, en 2001, la conception de médicaments en fonction des vastes nouvelles données sur les protéines a évolué lentement, car nous ne pouvons pas interpréter une grande partie de ces données avec notre niveau actuel de compréhension. On s'attend à ce que la protéomique découvre des cibles imprévues pour la conception de médicaments en établissant la fonction de milliers de protéines non cernées que l'on peut encore trouver dans le génome humain.

Le travail dans le domaine de la protéomique comprend les éléments suivants :

  • concevoir des techniques de séparation des protéines et d'établissement du profil protéique;
  • faire la corrélation entre les séquences géniques et la structure des protéines à trois dimensions, et entre la structure à trois dimensions et la fonction des protéines;
  • examiner les interactions protéine-protéine.

On s'attend également à ce que la protéomique offre des données expérimentales afin d'améliorer les programmes de modélisation informatique qui prédisent la structure des protéines à partir d'une séquence d'ADN. En d'autres mots, cela nous aidera à apprendre à interpréter les renseignements contenus dans le génome.

Technique d'établissement du profil protéique et de séparation des protéines

Les scientifiques ont découvert des renseignements sur les gènes qui sont exprimés (expression signifiant que certains gènes sont «en fonctionnement actif») dans les cellules en vertu de certaines conditions expérimentales en analysant les transcriptions sur l'ARN messager (ARNm) dans ce que l'on appelle les «puces à ADN». Ces renseignements fournissent des indices sur les protéines responsables de certains facteurs et de certaines maladies. Toutefois, les différences dans les demi-vies de l'ARN et des protéines, et les modifications importantes pour le fonctionnement des protéines, empêchent les profils d'ARNm d'être correctement jumelés au profil des protéines actuelles des cellules.

Si les protéines de la population d'une cellule pouvaient être comparées à celles d'une population d'une autre cellule, le profil indiquerait des modèles uniques d'expression au niveau de la protéine et fournirait de nouveaux moyens de dépister les maladies. Cette technique est appelée approche directe de la caractérisation de la protéine. Elle pourrait également aider les chercheurs à cerner les personnes qui profiteraient le plus de certains traitements et celles qui seraient plus susceptibles de ressentir des effets secondaires. Toutefois, afin d'exécuter ces analyses, nous devons concevoir des techniques plus efficaces de séparation des protéines et que nous pouvons reproduire.

La technique d'électrophorèse sur gels de polyacrylamide (PAGE)

Une des techniques traditionnelles utilisées couramment afin de séparer les protéines est l'électrophorèse sur gels de polyacrylamide (PAGE) en deux dimensions. Les protéines sont séparées en une dimension en fonction de leur taille, et dans la deuxième dimension en fonction de leur charge (leur point isoélectrique). Après la séparation, le gel est coloré afin de pouvoir repérer les zones de protéines.

Les zones sont ensuite retirées du gel, et les protéines sont digérées en courts fragments de peptides et analysés au moyen de la spectrométrie de masse (SM). Le profil de la SM est utilisé afin d'établir la séquence d'acides aminés de la protéine. On utilise un logiciel de bioinformation afin de lier les renseignements sur la séquence d'acides aminés aux renseignements sur la séquence d'ADN. On peut utiliser les modèles types du gel en deux dimensions et les zones particulières afin de produire le modèle type d'expression pour des fins d'analyse, tel qu'exposé précédemment. L'expression est le processus qui consiste à convertir les renseignements génétiques en ARN et en protéines qui sont utilisés par la cellule. Les modèles types d'expression, facilement analysés au moyen des microréseaux, peuvent fournir beaucoup de renseignements sur les rôles que les gènes jouent dans différentes situations, comme la maladie et la santé.

Toutefois, la technique d'électrophorèse sur gels de polyacrylamide connaît toujours des problèmes en tant que technique de séparation des protéines et de l'établissement du profil de l'expression. Le problème le plus important est peut-être que les expériences de cette technique sont difficiles à reproduire. Ce point a empêché que la technique d'électrophorèse sur gels de polyacrylamide devienne une «puce génique» pour les expériences d'analyse du profil des protéines parce qu'il est difficile de comparer les données d'expériences multiples.

Techniques des puces de protéines

La technologie des puces de protéines améliore la vitesse et la reproductibilité des séparations protéiniques pour l'électrophorèse sur gels de polyacrylamide en deux dimensions. On utilise la technologie afin d'établir les biomarqueurs protéiques des maladies telles que l'Alzheimer et le cancer des ovaires.

Une autre technique peut être une méthode de purification des protéines HTG en quantité inférieure au milligramme. Cela permet la séparation de petits échantillons au moyen de la chromatographie traditionnelle.

Une autre technique de séparation des protéines prometteuse consiste à concevoir des anticorps monoclonaux (mAb) pour chacune des protéines de la cellule, puis modeler ces anticorps monoclonaux à différents endroits sur une puce de protéines. Chacun des anticorps monoclonaux se lie fortement à une protéine spécifique et peut établir une distinction entre des copies d'une même protéine qui ont été modifiées par différentes techniques de laboratoire. Ces modifications peuvent changer la fonction d'une protéine, mais les distinctions physiques qui en découlent ne sont pas repérées par l'électrophorèse sur gels de polyacrylamide en deux dimensions et par d'autres techniques. Les anticorps monoclonaux peuvent également être produits dans une variété presque illimitée en «réarrangeant» la séquence d'ADN qui sert à les encoder. L'organisme humain peut produire plus de 100 millions d'anticorps différents par le réarrangement des gènes. On s'attend à ce que la technologie des anticorps monoclonaux puisse se comparer aux niveaux d'expression de protéines importantes connues, mais la technologie est encore en voie d'élaboration.

Quels genres d'organisations participent à la protéomique?

Bioinformatique

Le travail des organisations en bioinformatique est étroitement lié aux efforts de la génomique. Ces organisations fournissent des capacités d'exploration et d'entreposage des données afin de permettre la prévision de la structure et de la fonction des protéines en fonction de la séquence d'ADN. Ils font leurs prévisions en comparant les nouvelles séquences de protéines aux séquences pour lesquelles les structures de protéines et les fonctions sont connues. Ils peuvent le faire parce que les protéines sont regroupées en familles qui ont des fonctions similaires. Toutefois, la relation entre les protéines peut être complexe. Alors que le domaine de la bioinformatique vieillit, il améliorera la capacité des chercheurs à établir un rapport entre protéines. Aujourd'hui, les organisations en bioinformatique se concentrent principalement à concevoir des logiciels visant à améliorer la fiabilité et l'utilité des données de l'électrophorèse sur gels de polyacrylamide en deux dimensions.

Production de protéines HTG et structure

Certaines entreprises se spécialisent dans la production de protéines HTG, car il est important de disposer de grandes quantités de protéines pures qui ont été cernées comme cibles importantes par la séparation et l'analyse du profil pour que les scientifiques puissent les étudier. D'autres travaillent en vue d'établir la structure cristalline par diffusion des rayons X pour chacune des nouvelles protéines découvertes. Il faut disposer de renseignements sur les structures afin de concevoir des médicaments, et ces renseignements dépendent de l'information pour la conception de petites molécules qui se fixent aux protéines.

Analyse de protéines pour la conception de médicaments

Les organismes qui se concentrent sur l'analyse de protéines pour la conception de médicaments travaillent étroitement avec les sociétés pharmaceutiques afin de fournir des renseignements sur la façon dont les protéines réagissent ensemble. Ces sociétés fournissent également un aperçu des facteurs biologiques, permettant la découverte de nouveaux médicaments et la validation des cibles pour la conception de médicaments.

Les défis à venir

Les principales techniques de la protéomique, comme l'électrophorèse sur gels de polyacrylamide en deux dimensions, et la diffraction des rayons X, sont complexes et exigent d'être réalisées par des techniciens hautement spécialisés. Il faut améliorer les procédures et les informatiser pour que le domaine puisse évoluer.

On commence à utiliser les bases de données contenant des renseignements à jour sur la séquence, la structure et la fonction des protéines, mais il faut élaborer des techniques en vue d'établir les liens entre les données produites par la génomique et la protéomique et les interpréter.

Toutefois, au fur et à mesure que le domaine de la protéomique vieillit, il sera possible de concevoir des expériences plus complexes afin d'établir les fonctions des protéines et d'étudier la façon dont les protéines s'intègrent aux facteurs biologiques importants. On s'attend à ce que la protéomique permette de multiplier par 100 le nombre de médicaments connus. Cela incitera l'industrie pharmaceutique à concevoir de nouveaux médicaments. Le diagnostic pourrait également profiter de l'analyse du profil des protéines, mais le domaine médical devra suivre le rythme afin de profiter des renseignements qui deviendront ainsi disponibles.