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LA PROTÉOMIQUE nouvel eldorado

Michel Le Toullec
- En déterminant les relations entre maladie et protéines, la protéomique permet de découvrir des marqueurs de maladies et des cibles thérapeutiques. Tous les groupes pharmaceutiques mettent l'accent sur ces recherches.

Et si la protéomique était l'avenir de l'industrie pharmaceutique ? On sait déjà que de nombreux médicaments sont des protéines agissant sur des cibles thérapeutiques qui sont elles-mêmes souvent des protéines. L'achèvement du décryptage du génome humain donne aujourd'hui une idée précise du champ d'investigation qui s'offre aux chercheurs. Les quelque 30 000 gènes humains expriment sans doute près d'un million de protéines, dont moins de 100 000 sont actuellement identifiées... Reste donc environ 90 % de protéines inconnues dont le potentiel intéresse fortement les groupes pharmaceutiques et les sociétés de biotechnologies, mais aussi les fabricants de matériel d'analyse.

La protéomique est définie comme l'analyse de la totalité des protéines exprimées dans une cellule, un tissu ou un organisme dans des conditions données. « Contrairement au génome, qui est relativement constant dans toutes les cellules, le protéome représente un système dynamique, explique Jean Rossier, professeur de biologie à l'École supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (ESPCI) et membre de l'Académie des sciences. Le protéome change continuellement en réponse à des événements externes et internes : selon que la cellule se situe dans la peau ou dans le cerveau, qu'elle est saine ou malade, qu'elle est stimulée ou non par une hormone, selon le stade de son cycle de vie... »

C'est cette dynamique qui est mise à profit pour déterminer les couples maladie-protéines. En analysant l'ensemble des protéines présentes dans une cellule saine et dans une cellule atteinte d'une maladie, les scientifiques peuvent déterminer les protéines spécifiques de la pathologie en question (ou celles qui ne fonctionnent plus correctement). Ces protéines spécifiques d'une maladie présentent un double intérêt. Elles peuvent être considérées comme des marqueurs de la pathologie et permettre le développement de nouveaux outils diagnostiques. Ces protéines représentent par ailleurs des cibles thérapeutiques qui ouvrent la voie à de nouveaux médicaments. En outre, la protéomique peut aussi s'appliquer à l'étude des effets toxiques d'un candidat médicament. Il s'agit alors de déceler d'éventuelles perturbations au niveau des fonctions des protéines dans une cellule traitée par ce produit.

On distingue principalement deux stratégies d'analyse protéomique. La première utilise l'électrophorèse bidimensionnelle pour séparer les protéines contenues dans l'échantillon, protéines qui sont ensuite identifiées par spectrométrie de masse. Un spectromètre de masse actuel permet de caractériser plusieurs centaines de protéines par jour. Mais cette stratégie a ses limites : l'électrophorèse 2D sépare mal les protéines peu solubles dans l'eau, comme les protéines membranaires. Or, les récepteurs membranaires sont des cibles thérapeutiques très importantes. D'où le développement d'une seconde stratégie utilisant les puces à protéines (dont le principe a été inventé par la société californienne Ciphergen). Les protéines sont d'abord séparées par affinité sur la puce puis directement analysées sur ce support par spectrométrie de masse.

Selon une estimation du cabinet américain Bioperspectives, le marché des puces à protéines pourrait passer de 70 millions de dollars en 2001 à 400 millions de dollars en 2007. D'autres technologies, encore au stade de la recherche, sont très prometteuses, comme le scanner moléculaire ou les systèmes s'affranchissant de la séparation sur gel grâce à la microfluidique.

Plus complexe que la génomique

L'importance des retombées potentielles de la protéomique explique l'engouement de tous les groupes pharmaceutiques mais aussi des sociétés biotechnologiques et d'instrumentation pour ce domaine de recherche. Pourtant, tous reconnaissent que la protéomique possède une complexité bien supérieure à celle de la génomique. Et ce, pour plusieurs raisons : l'existence de modifications post-traductionnelles (qui régulent l'activité et la localisation des protéines), mais aussi le fait qu'une protéine peut être impliquée dans plusieurs processus et qu'inversement, une fonction particulière peut être assurée par différentes protéines. Sans oublier les possibilités d'interactions entre les protéines et le rôle de la différence de concentration entre ces protéines...

La prise en compte de cette complexité a conduit à la création, en 2001, d'une organisation internationale : Hupo (Human proteome organization), structure équivalente à Hugo (Human genome organization) pour le protéome. Le deuxième congrès Hupo, à Montréal en octobre dernier, était l'occasion de prendre le pouls de cette discipline. Dans le domaine des maladies neuronales, une équipe de Harvard (Boston) travaille sur des protéines de la maladie de Parkinson, tandis qu'une équipe coréenne a révélé le rôle de protéines dans l'apoptose (suicide cellulaire) de neurones dans le cas de la maladie d'Alzheimer. D'autres conférences abordaient les maladies génétiques, cardio-vasculaires, cérébrales ainsi que le diabète et les cancers. Thierry Rabilloud, au CEA de Grenoble, y présentait ses travaux sur des protéines sensibles au stress oxydatif, qui joue un rôle dans de nombreux processus pathologiques.

Autre tendance affirmée lors du congrès Hupo à Montréal : le développement d'outils bio-informatiques permettant de gérer la multitude de données disponibles et surtout à venir. Jérôme Garin (du CEA à Grenoble) y présentait la solution logicielle Taggor-PepMap capable d'identifier de nouvelles protéines à partir de banques de données protéiques mais aussi de banques de données génomiques. L'université de Toronto proposait sa base de données SIMS développée pour l'identification de modifications post-traductionnelles, tandis que des chercheurs de l'université McGill de Montréal lançaient le système d'information CellMapBase pour la protéomique haut débit.

L'analyse à haut débit est le défi du moment

Depuis environ cinq ans, l'intérêt croissant dans le monde pour la protéomique s'est concrétisé par l'émergence d'environ 250 sociétés spécialisées. Entre temps, plusieurs compagnies de génomique se sont orientées vers la protéomique et la plupart des groupes pharmaceutiques ont noué des partenariats dans ce domaine. Parmi les grands acteurs de la génomique, les américains Celera et Incyte sont les premiers à opérer un virage stratégique vers la protéomique : Celera en investissant dans la construction d'une installation de recherche dédiée, et Incyte en acquérant la société Proteome, spécialiste des bases de données protéomiques. Cet été, c'est le groupe pharmaceutique Merck qui s'est clairement engagé dans la protéomique avec l'acquisition de la compagnie américaine Proteoplex.

Côté partenariat, la société anglaise de biotechnologies Oxford Glycosciences a montré la voie en s'associant, dès 1998, avec les principaux groupes pharmaceutiques mondiaux. Aujourd'hui, ses travaux portent notamment sur la recherche de protéines spécifiques de la maladie d'Alzheimer et de l'athérosclérose (avec Pfizer), de l'asthme et autres maladies pulmonaires (avec Bayer) et du diabète (avec Merck). Début 2003, le groupe pharmaceutique américain Eli Lilly signait un accord avec son compatriote Molecular Staging pour la recherche de biomarqueurs de la sepsie, infection par un micro-organisme pathogène. En Suisse, Novartis lançait, en 2002, une vaste étude protéomique des maladies coronariennes avec Geneprot. En France, Servier annonçait, en novembre 2003, son alliance sur la découverte de médicaments anticancéreux avec Hybrigenics (Paris), spécialiste de l'étude des interactions entre protéines.

De son côté, Roche s'est allié avec Bruker Daltonics, l'un des premiers constructeurs mondiaux de spectromètres de masse, dans l'objectif de développer des systèmes d'analyse de protéines à haute sensibilité. Les industriels de l'instrumentation ne sont en effet pas indifférents à la vague protéomique. Le développement de solutions d'analyse protéomique à haut débit est même pour beaucoup d'entre eux le défi du moment. Parmi les géants américains de l'instrumentation, le premier à y croire, Perkin Elmer, a même monté un centre de recherche consacré à la protéomique. Applied Biosystems s'est, quant à lui, allié avec HTS Biosystems pour développer des systèmes d'analyse protéomique fonctionnelle. Sans oublier l'alliance récente entre Ciphergen, leader mondial des puces à protéines, et Beckman Coulter dans le but de multiplier par cinq le débit d'analyse de ses puces ProteinChip.

Toutes ces alliances industrielles reflètent un constat : le potentiel de la protéomique est certes immense, mais cette discipline souffre de limites technologiques qui ne permettent pas encore d'effectuer des analyses rapides de mélanges complexes. Des défis auxquels, à leur niveau, les scientifiques français semblent s'attaquer avec certains succès. Ainsi, plusieurs sociétés se sont créées sur le secteur très en pointe des puces à protéines, dont Apibio (Lyon), Genoptics (Orsay) et ProtNeteomix (Nantes). À Rennes, Innova Proteomics s'est créée en 2002 comme société de services en protéomique haut débit : cette start-up gère la plate-forme informatique de la Génopole Ouest. Du côté de la Génopole de Lille, des travaux portent sur la microfluidique appliquée à la protéomique avec l'Université des sciences et technologies de Lille. Enfin, la plate-forme protéomique du CEA à Grenoble est notamment consacrée au développement d'outils bio-informatiques et à l'analyse de mélanges complexes de protéines.

3,3 milliards de dollars

C'est le montant que pourrait atteindre le marché mondial de la protéomique en 2006 selon le cabinet californien Multimedia Research Group. En 2001, ce chiffre n'était que de 561 millions de dollars. Ce qui représente un taux de croissance annuel de 40 % par rapport à 2000.

LE DÉFI

- En comparant l'ensemble des protéines exprimées dans une cellule saine et dans une cellule malade, on déduit les protéines spécifiques d'une pathologie. - Moins de 100 000 protéines humaines, sur environ un million de protéines exprimées, ont été identifiées. Ces protéines sont des marqueurs de certaines maladies et des cibles pour leur traitement.

LES ENJEUX

- Les technologies à haut débit (spectrométrie de masse, puces à protéines) associées aux moyens de bio-informatique permettent de faire face aux travaux qui restent à réaliser. - Près de 250 sociétés spécialisées dans la protéomique sont apparues ces cinq dernières années. - Plusieurs compagnies de génomique se sont orientées vers la protéomique et la plupart des groupes pharmaceutiques ont noué des partenariats dans ce domaine.

600 protéines de virus à la loupe

Affinium Pharmaceuticals (Toronto, Canada) a étudié environ 600 protéines exprimées par sept virus à l'origine de nombreuses maladies humaines. - Au programme : le VIH, le virus de l'hépatite C, le papillomavirus humain, le virus herpès simplex, le virus d'Epstein-Barr, le cytomégalovirus et le virus de la vaccine. À cette liste s'est récemment ajouté le coronavirus, responsable du SRAS (syndrome respiratoire aigu sévère).

LES ATOUTS DE LA MICROFLUIDIQUE

L'Université des sciences et technologies de Lille (USTL) développe avec l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN) et la Génopole de Lille un partenariat dans le domaine de la microfluidique. Une discipline aujourd'hui indispensable pour augmenter les capacités d'analyse protéomique. Doctorante à l'USTL, Séverine Le Gac travaille sur un microsystème fluidique dédié à la préparation d'échantillons de protéines avant leur analyse par électronébulisation et spectrométrie de masse (ESI-MS). Ce système comprend un microréacteur de digestion enzymatique, un dispositif chromatographique pour purifier, dessaler et séparer les protéines de l'échantillon, une source de nano-électronébulisation intégrée et un système de pompage interne. Un polymère hydrophobe macroporeux Séverine Le Gac présentait ses travaux lors du 2e congrès Hupo, à Montréal en octobre dernier. « Nous avons développé un module chromatographique sous forme de colonne capillaire garni d'un polymère hydrophobe macroporeux. Ce matériau pourrait en outre servir à la réalisation du microréacteur enzymatique. » En ce qui concerne la source intégrée de nano-électronébulisation, la chercheuse travaille avec Steve Arscott de l'IEMN sur un nouveau type d'interface. « Il s'agit d'une pointe fabriquée par microtechnologies dont les dimensions de l'extrémité sont de quelques microns. Ce principe convient à une production de masse et est compatible avec une interface robotique en vue de l'automatisation de l'analyse. »

JEAN ROSSIER MEMBRE DE L'ACADÉMIE DES SCIENCES ET PROFESSEUR À L'ESPCI«LA BIO-INFORMATIQUE : UN OUTIL INDISPENSABLE.»

Professeur de biologie à l'École supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (ESPCI), Jean Rossier met l'accent sur les tendances actuelles en matière d'analyse protéomique. « Les puces à protéines représentent un outil intéressant permettant l'analyse rapide en parallèle de nombreux échantillons biologiques. Mais ces puces sont actuellement limitées par la sélectivité de reconnaissance entre la sonde et la molécule cible. Pour augmenter la sélectivité de reconnaissance, certains utilisent des molécules affines ("affybodies", en anglais). Ces molécules, plus sélectives que les anticorps, peuvent être utilisées comme agent de capture ou de détection sur des puces à protéines. » La microfluidique est un autre domaine important pour le développement de technologies d'analyse protéomique. « En France, l'Université des sciences et technologies de Lille est l'un des centres de compétences dans ce domaine. » Des analyses multifactorielles Enfin, la bio-informatique est, selon Jean Rossier, un outil indispensable pour gérer la complexité de l'analyse protéomique. « Il ne s'agit plus seulement d'analyser les protéines par dosage individuel. On doit aussi tenir compte des interactions entre les protéines présentes dans l'échantillon, mais également des différences de concentration entre les protéines, qui peuvent être de dix ordres de grandeur. De tels systèmes complexes nécessitent désormais des techniques d'analyses multifactorielles. »

LA PHARMACIE S'Y MET

- Bayer : Traitements des maladies respiratoires. - Bristol-Myers Squibb : Traitement de l'athérosclérose. Antibiotiques. - Eli Lilly : Biomarqueurs de la sepsie. Étude de l'effet de candidats médicaments du type inhibiteur de kinase. - GlaxoSmithKline : Développement d'agents anti-infectieux. - Novartis : Étude protéomique des maladies coronariennes. Puce à protéines pour le suivi de l'arthrite rhumatoïde. - Pfizer : Cibles thérapeutiques contre la maladie d'Alzheimer et l'athérosclérose. - Sanofi : Cibles thérapeutiques pour le traitement d'allergies. - Servier : identification de cibles pour le traitement contre le cancer.

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