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Science et recherche |
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Résoudre les mystères de la vie Des chercheurs du manitoba innovent dans l'étude des protéines, les composés biochimiques qui jouent un rôle essentiel dans toutes les cellules vivantes. Leurs recherches pourraient un jour mener à de nouveaux traitements pour des maladies et des problèmes de santé allant de l'insuffisance rénale à la grippe.
PAR JOEL SCHLESINGER Le Dr John Wilkins est la première personne à admettre que les quatre énormes appareils qui se trouvent dans son laboratoire ne sont pas les meilleurs exemples d'esthétisme technologique. Volumineux et encombrants, avec des fils qui sortent de partout, il est assez évident que ces appareils appelés spectromètres de masse n'ont pas été conçus par le regretté Steve Jobs. « Regardez-les, dit-il un peu à la blague, en voyant un de ces appareils, ma femme a dit qu'il ressemblait à un frigo pour la bière ». Toutefois, pour le Dr Wilkins, directeur du Manitoba Centre for Proteomics and Systems Biology, la beauté de ces instruments, sans mentionner leur valeur, ne repose pas sur leur apparence. Le iPod et le iPad de Jobs ont peut-être révolutionné la façon dont les gens écoutent de la musique ou lisent le présent article, mais les appareils qui se trouvent dans le laboratoire du Dr Wilkins vont beaucoup plus loin. Ils percent les mystères de la vie. Conçu à l'origine par des physiciens et utilisé pendant des décennies dans les domaines de la physique et de la chimie pour identifier et comprendre la nature des molécules et des particules encore plus petites, le spectromètre de masse sert maintenant à recueillir des données auparavant inaccessibles sur les protéines, des composés biochimiques essentiels à toute forme de vie. Il n'est pas surprenant que le coût de ces appareils capables d'accomplir de telles prouesses soit proportionnel à leur manque d'esthétisme, c'est-à-dire 800 000 $ chacun. Le fait que le Dr Wilkins en possède quatre révèle que son centre est l'un des mieux outillés au Canada. Ce n'est pas peu dire. Situé au septième étage du Centre de recherche John Buhler du campus Bannatyne de l'Université du Manitoba, ce centre fondé en 2006 a contribué à placer Winnipeg à l'avant-garde de la recherche sur les protéines, aussi appelée protéomique. Ces travaux sont importants. Si l'ADN est le code de la vie, les protéines sont essentiellement les ouvriers qui fabriquent chaque cellule vivante. En comprenant leur fonctionnement, on peut découvrir ce qui se produit lorsque des cellules sont infectées ou sont malades. Bien que les scientifiques aient toujours su que les protéines étaient importantes dans les systèmes biologiques, ce n'est qu'au cours des 15 à 20 dernières années qu'ils ont commencé à comprendre l'important rôle qu'elles jouent dans la coordination du fonctionnement des cellules vivantes grâce en grande partie aux percées réalisées à l'aide de la spectrométrie de masse. La beauté de la nouvelle technologie est qu'elle permet d'identifier immédiatement plusieurs protéines dans un échantillon. « Avec la spectrométrie de masse, nous pouvons voir dans une analyse plusieurs milliers de protéines d'un seul coup », dit-il. Plus précisément, les appareils peuvent détecter des chaines d'acides aminés, ou peptides, qui forment les protéines. Le Dr Wilkins, qui est professeur de biochimie, de génétique médicale, d'immunologie et de médecine interne à la faculté de médecine de l'Université du Manitoba, explique que l'appareil est doté d'une telle précision qu'il peut être programmé pour détecter seulement certains enchaînements d'acides aminés afin de cibler des protéines précises dans un échantillon. « On peut être assez sûr qu'une protéine est présente dans un échantillon, dit-il. Nous disons souvent que la possibilité qu'il s'agisse d'autre chose est d'une chance sur 10 à la puissance 100». Malgré l'importance qu'ont ces appareils pour comprendre le fonctionnement des protéines, ils ne peuvent pas faire l'analyse seuls. Il faut des chercheurs de haut niveau qui possèdent les connaissances, l'imagination et la perspicacité nécessaires pour comprendre ce que révèlent les protéines. Winnipeg a un nombre grandissant de scientifiques qui présentent le profil requis. Pendant la rédaction du présent article, des scientifiques mènent des recherches afin de percer les mystères du cancer, de l'insuffisance rénale et de la grippe. « Les biomarqueurs représentent l'un des domaines offrant le plus de possibilités », ajoute le Dr Wilkins. « Nous aimerions pouvoir prélever un échantillon chez une personne en vue de déterminer si elle possède un marqueur qui indiquerait qu'elle a un cancer ou une maladie inflammatoire. » Parmi les projets de recherche de premier plan menés au centre qui démontrent d'éventuels avantages cliniques pour les patients, citons une étude sur la fonction rénale chez les patients ayant eu une chirurgie cardiaque. La Dre Julie Ho, néphrologue et professeure adjointe au département de médecine interne de l'Université du Manitoba, travaille au centre depuis 2006 où elle étudie l'effet des pontages coronariens sur les reins. « Lorsqu'un patient subit une chirurgie cardiaque, on utilise un appareil de circulation extracorporelle, car le coeur doit être arrêté pour permettre l'opération, explique-t-elle. Cependant, le débit sanguin de l'organisme n'est pas le même que lorsque le coeur fonctionne et les gens peuvent développer des problèmes d'insuffisance rénale après coup. » Dans le cadre de ses recherches, la Dre Ho a prélevé des échantillons d'urine chez des patients avant, durant et après la chirurgie. Elle a ensuite comparé les échantillons prélevés chez des patients n'ayant pas eu de problème d'insuffisance rénale à ceux prélevés chez des patients qui en ont eu. À l'aide de la spectrométrie de masse, son équipe a été en mesure de déterminer que les patients affichant de faibles taux d'un certain type de protéine ont développé une insuffisance rénale après la chirurgie cardiaque, contrairement aux patients qui présentaient des taux élevés. « Chez les patients ayant eu une chirurgie cardiaque, nous avons identifié une nouvelle protéine, appelée hepcidine-25, et nous avons été capables de démontrer sa présence chez les patients à faibles risques d'insuffisance rénale. » Cette découverte pourrait contribuer à améliorer sur-le-champ les soins, car on peut analyser en laboratoire les échantillons d'urine des patients pour y déceler les protéines immédiatement après la chirurgie. Les patients chez qui la protéine est présente sont moins à risque de développer une insuffisance cardiaque, mais les patients qui présentent un faible taux de cette protéine ou n'en ont pas du tout sont tous à risque. Les professionnels de la santé pourront alors être plus vigilants et surveiller les signes de problèmes rénaux chez ces patients. Cependant, elle doit confirmer ses résultats sur un plus important bassin populationnel. « Pour passer à la pratique clinique, nous devons prouver que les résultats ne touchent pas seulement un petit groupe de personnes, car il pourrait y avoir d'importantes variations dans la population », mentionne-t-elle. Jusqu'ici, elle n'a évalué que des échantillons prélevés au Centre de soins cardiaques de l'Hôpital Saint-Boniface. « Voilà pourquoi nous travaillons maintenant avec les responsables d'une étude multicentrique de l'Université Yale. » À Yale, des échantillons d'urine de patients ayant subi une chirurgie cardiaque ont été prélevés dans le monde entier dans le cadre d'une étude de cohorte. Si la corrélation reste la même dans de nombreuses régions géographiques, la Dre Ho affirme que ce sera une bonne indication que la protéine hepcidine-25 est un bon marqueur pour l'insuffisance rénale et pourrait jouer un rôle préventif pour protéger les reins durant la chirurgie. Ses recherches ne s'arrêtent toutefois pas là. La prochaine étape consistera à développer un outil de diagnostic qui permettra de détecter rapidement la protéine dans l'urine. Pour l'instant, le test consiste à envoyer des échantillons d'urine en laboratoire, ce qui est trop long pour surveiller les niveaux de protéines durant une chirurgie. Après tout, les niveaux de protéines peuvent être adéquats avant l'intervention, mais peuvent commencer à chuter une fois que le coeur est arrêté et qu'un appareil externe prend la relève. « Notre objectif ultime consisterait à élaborer un test du papier tournesol qui nous permettrait de tremper une bandelette dans l'urine pour voir si elle change de couleur afin de nous indiquer la présence ou l'absence de la protéine. » Bien qu'il s'agisse de l'objectif visé du point de vue diagnostique, la Dre Ho ajoute qu'elle espère aussi que la protéine puisse être administrée aux patients dont les taux sont faibles afin de prévenir l'insuffisance rénale. « Nous devons franchir de très nombreuses étapes avant d'en arriver à ce point », dit-elle. La première étape consisterait probablement à utiliser des souris en laboratoire. Il faudrait restreindre la circulation sanguine vers les reins et prélever des échantillons d'urine et de sang afin de déterminer si l'injection de la protéine à l'animal a un effet protecteur. Ici aussi, la spectrométrie de masse pourrait être très utile, car bien que l'administration de la protéine puisse être efficace pour prévenir les dommages aux reins, elle pourrait aussi entraîner des effets secondaires ailleurs dans l'organisme. La spectrométrie de masse pourrait aider à détecter les changements potentiels au niveau moléculaire. La Dre Ho travaille aussi à une autre étude au centre qui porte sur cette technologie dans le domaine des maladies du rein. Cette recherche vise à identifier les protéines qui pourraient être en cause dans le rejet chez les patients ayant reçu une greffe de rein. « Le rein du donneur ne dure pas éternellement, peut-être 10 à 15 ans en moyenne », explique-t-elle. Certains receveurs obtiennent toutefois de bien meilleurs résultats. Le rein qu'ils ont reçu dure 20 ans ou plus et, en général, les spécialistes ne comprennent pas pourquoi ces patients obtiennent des résultats optimaux contrairement à d'autres. « Nous voulons voir si nous pouvons améliorer la durée d'une greffe de rein et trouver des indicateurs qui pourraient montrer à quel moment le rein pourrait cesser de fonctionner. » Elle explique que la protéomique a joué un rôle clé dans la découverte des protéines qui peuvent être liées à l'insuffisance rénale précoce chez les patients greffés. Jusqu'ici, la recherche a permis d'identifier deux protéines : la protéine chimiotactique monocytaire-1 (MCP-1) et la chimiokine 10 de la famille CXC (CXCL10). « Les analyses d'urine effectuées sur les patients six mois après une greffe de rein ont révélé que les patients chez qui les taux de protéines MCP-1 étaient plus élevés auront vraisemblablement une cicatrisation du greffon à la biopsie de deux ans. » En effet, les patients qui affichent des taux élevés de cette protéine après la greffe sont plus susceptibles d'avoir une cicatrisation au rein et la cicatrisation est associée à l'insuffisance rénale précoce. On soupçonne l'autre protéine, CXCL10, de jouer un rôle dans le rejet du rein greffé. Idéalement, la Dre Ho aimerait trouver dans ces deux cas un test simple qui permettrait de mesurer le taux de protéines. Ainsi, lorsque les patients qui vivent en régions éloignées viendraient à la clinique, leur taux de protéines pourrait rapidement être analysé. « Nous sommes capables de démontrer que la protéine CXCL10 est un marqueur de rejet, mais elle est similaire au marqueur protéique chez les patients cardiaques, explique-t-elle. Nous devons démontrer que la présence de la protéine est un marqueur du rejet d'une greffe rénale dans une plus grande partie de la population. » La découverte n'est qu'un début pour la Dre Ho. La relation entre ces protéines et l'insuffisance rénale reste inconnue, mais elle donne une piste pour trouver une éventuelle thérapie préventive de l'insuffisance rénale. Le centre de protéomique jouera donc encore une fois un rôle charnière. Une des principales questions en suspens consiste à déterminer si le blocage de la production de protéines préviendrait les dommages rénaux. La Dre Ho affirme que ces recherches seront faites à long terme et, comme c'est le cas dans de nombreuses autres recherches sur les causes profondes des maladies menées au centre, elles feront appel aux banques d'ARNsh. Pour comprendre l'importance des banques, il est bon d'avoir quelques notions de biologie fondamentale. Toutes les formes de vie sont composées de cellules. Chaque cellule contient de l'acide désoxyribonucléique (ADN) qui comporte toutes les informations génétiques de la cellule. Il s'agit du code de fabrication de toutes les parties d'une cellule. Toutefois, cette information doit être traduite pour que la cellule fabrique les produits encodés. Les renseignements sont donc fournis au moyen d'un plan d'exécution transmis par les ARN messagers (ARNm) qui dirigent l'assemblage des produits finis, à savoir les protéines. Les ARNm agissent comme un entrepreneur en construction, dirigeant les cellules en vue de fabriquer des protéines particulières qui, à leur tour, se chargent des processus cellulaires nécessaires à la vie. « Les protéines jouent le rôle de la machinerie, explique le Dr Wilkins. Elles sont donc fabriquées selon l'information présente dans l'ARNm. La protéine est ensuite responsable de fabriquer à peu près tout ce qui entre dans la composition de la cellule, qu'il s'agisse ou non de protéine. » Lors de la dernière décennie, des chercheurs ont découvert qu'ils peuvent manipuler les activités de différents ARNm à l'aide de courts brins d'ARN, plus communément appelés ARNsh interférents. Cet ARN spécialisé peut se fixer à l'ARN et l'empêcher de diriger la fabrication de la protéine liée à cette partie précise du gène. Les scientifiques appellent ce phénomène une « invalidation ». En effet, l'ARNsh supprime ou freine l'expression génétique de l'ARNm. « Cette invalidation de la protéine signifie qu'il manque désormais une partie à la cellule. Nous pouvons maintenant voir ce qui se produit en l'absence de cette protéine dans la cellule », affirme le Dr Wilkins. C'est ici qu'entre en jeu la banque d'ARNsh du centre. On y trouve 70 000 de ces différentes sortes d'ARNsh interférents qui reconnaissent un seul gène. La technique d'utilisation de l'ARNsh pour bloquer la fabrication de certaines protéines est l'un des éléments centraux des recherches menées au centre par leDr Kevin Coombs sur le virus de la grippe. Le Dr Coombs, professeur de microbiologie médicale à la faculté de médecine de l'Université du Manitoba, et son équipe ont adopté une approche unique pour comprendre le virus. Normalement, un virus infectieux pénètre dans la cellule hôte et détourne ses mécanismes génétiques. On peut le comparer à un imposteur qui prétend être l'ARN normal, l'entrepreneur en construction de la cellule qui dirige la protéosynthèse. Le virus s'approprie ce rôle. Il indique à la cellule de fabriquer des protéines pour se répliquer. Ce manège se poursuit jusqu'à ce qu'un nombre suffisant de particules virales, appelées virions, sont fabriquées, puis libérées de la cellule, la tuant. Les virions vont ensuite infecter d'autres cellules. Ce processus se répète et entraîne la propagation de l'infection jusqu'à ce que le système immunitaire de l'organisme repère l'envahisseur viral et l'attaque. D'autres chercheurs ont déjà utilisé l'ARNsh pour s'en prendre directement au virus, dont les gènes sont entièrement faits d'ARN, et pour l'empêcher d'utiliser les protéines de la cellule hôte dans le but de se répliquer. En utilisant l'ARNsh pour bloquer une partie de l'ARN du virus, les chercheurs ont empêché le virus de la grippe de se propager dans l'organisme freinant ainsi sa capacité d'utiliser une protéine essentielle à sa réplication. Ce processus a mené au développement de nouveaux antiviraux. Toutefois, le Dr Coombs explique que leur efficacité est limitée. « Cela s'explique parce que même si les gens freinent le virus en utilisant contre lui l'ARN interférent, le virus continue sa mutation et déjoue cette stratégie. Même si la stratégie est bonne, le virus la contourne. Voilà pourquoi nous devons essayer autre chose. » Le Dr Coombs cherche plutôt à bloquer la fabrication des protéines à l'intérieur de la cellule qui sont nécessaires à la production du virus. Ainsi, même si le virus est capable d'utiliser des protéines, celles-ci ne seront pas disponibles dans la cellule hôte et le virus sera incapable de se répliquer. Les étapes initiales de cette étude consistaient à utiliser un spectromètre de masse pour déterminer quelles protéines à l'intérieur de la cellule sont nécessaires à la réplication du virus de la grippe. Toutefois, il fallait aussi utiliser l'ARN interférent pour empêcher une partie des gènes de la cellule hôte de bloquer la fabrication de certaines protéines. Jusqu'ici, ils ont identifié une douzaine de gènes qui amènent la cellule à fabriquer des protéines essentielles à la réplication du virus. La prochaine étape consiste à déterminer ce qui se produit s'ils « invalident » un de ces gènes à l'intérieur de la cellule. « Pouvons-nous stopper quelque chose à l'intérieur de la cellule sans lui causer de tort tout en freinant le virus?, demande-t-il. D'un point de vue thérapeutique, nous espérons démontrer qu'il n'y a pas d'effet secondaire causé à la cellule, mais que le virus en souffrira. » Cependant, les effets causés par la mutation d'un gène en vue de bloquer la production d'une protéine pourraient entraîner des effets secondaires, selon lui. « Le problème repose sur le fait que les protéines nécessaires à un type de cellule peuvent aussi être nécessaires à d'autres types de cellules de l'organisme. Ainsi, si on empêche les cellules de fabriquer une protéine en particulier dans l'organisme, il pourrait y avoir de graves conséquences. En laboratoire, nous utilisons quelques types de cellules pour déterminer ce qui pourrait être utile, mais il se peut que ce qui donne de bons résultats en laboratoire puisse nuire aux fonctions vitales et ne pas être une approche thérapeutique viable », explique le Dr Wilkins. En fait, une importante partie des recherches menées au centre sont axées sur la découverte des interconnexions entre le matériel génétique et les protéines dans une cellule sur les milliards de cellules que contient le corps. C'est cette branche de la recherche qui représente le plus grand défi. Il est déjà assez complexe de trouver un gène à cibler afin de prévenir la production d'une protéine dans une cellule de façon à empêcher un virus de se répliquer, mais il est exponentiellement encore plus compliqué de déterminer quelles autres fonctions de l'organisme pourraient être affectées. L'étude de ces relations est appelée biologie des systèmes et elle repose sur une analyse complexe de statistiques mathématiques pour comprendre les multiples résultats potentiels. Curieusement, cette technique a été implantée dans un tout autre domaine d'études, les sciences sociales. Durant la guerre froide, certains états communistes étaient déterminés à trouver les dissidents politiques en étudiant les interactions sociales. Ils ont créé de complexes cartes d'interactions afin de tenter de comprendre les vastes relations entre les citoyens. Les cartes comportaient des millions de connexions, révélant des liens potentiels entre des étrangers qui ne s'étaient même jamais rencontrés. Ce travail a éventuellement mené à l'élaboration du réseautage social qui est si populaire de nos jours avec les médias sociaux, mentionne le Dr Wilkins. Le même concept peut être appliqué sur le plan cellulaire, avec une complexité supplémentaire compte tenu du fait que ces relations ne peuvent pas être observées directement. « Une protéine est un peu comme un outil multifonctionnel et on pense que chaque protéine est capable d'interagir avec environ six partenaires, explique le Dr Wilkins. Ces partenaires peuvent déterminer ce que fait la protéine ou à quel endroit elle le fait. On pourrait donc la rediriger. » Compte tenu du fait qu'il y a des milliers de protéines différentes, les relations peuvent être complexes et l'élaboration de modèles sera longue. Cependant, une fois que les scientifiques auront développé ces modèles, ils pourront aider les chercheurs à déterminer quelles seront les répercussions d'un blocage des effets d'une protéine ou d'une augmentation de la quantité d'une autre protéine en dehors du traitement visé. Dans l'intervalle, le Dr Coombs et d'autres chercheurs poursuivent leur travail de laboratoire au centre. À travers leurs microscopes, ils étudient de près des échantillons de cultures cellulaires ayant été traitées à l'ARN interférent. Ils observent non seulement l'effet du virus de la grippe dans la cellule, mais ils veulent aussi savoir si la cellule est endommagée. « Lorsque nous les regardons sous le microscope, elles ont l'air parfaitement normales, mais nous pouvons aussi faire un test avec un colorant spécial qui révélera la différence entre des cellules qui se portent bien et des cellules mal en point », poursuit-il. L'atteinte de l'objectif ultime, la découverte d'une nouvelle catégorie d'antiviraux, demandera encore des années. « Ce n'est pas comme dans un feuilleton policier où les énigmes sont résolues en une heure », ajoute le Dr Coombs. Comme pour les autres travaux menés au Manitoba Centre for Proteomics and Systems Biology, les résultats obtenus permettent de mieux comprendre les maladies. Cependant, la route qui mène à la compréhension des méandres de la maladie et à la découverte éventuelle de nouveaux traitements sera certainement longue, tortueuse et parsemée d'embûches. « Nous avons fait des progrès, mais nous avons encore beaucoup de chemin à parcourir », dit en terminant le Dr Coombs. Joel Schlesinger est un rédacteur de Winnipeg.
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