Cet article de blog examine, du point de vue de la recherche omique, comment les combinaisons de protéines évoluent au fur et à mesure que les cellules se différencient et comment ces changements sont liés aux fonctions des systèmes biologiques et à l'apparition de la maladie.
L'un des mots-clés fondamentaux des sciences de la vie modernes est « omique ». Contrairement aux recherches antérieures en sciences de la vie, qui se concentraient sur l'analyse de la fonction et de la structure des gènes et des protéines individuels, l'omique englobe des concepts tels que la génomique (étude de l'ensemble des gènes, ou génome, d'un organisme ou d'une cellule), la transcriptomique (étude de l'ensemble des ARN, ou transcriptome) et la protéomique (étude de l'ensemble des protéines, ou protéome).
Selon la théorie de la biologie moléculaire, seule une partie de l'information génétique contenue dans l'ADN est transcrite en ARN, et seule une partie de cet ARN est traduite en protéine. Le génome d'un système biologique donné, tel qu'un organisme ou une cellule, contient l'information génétique complète nécessaire à toutes les fonctions que ce système est capable d'accomplir. Le génome humain et celui d'un autre système, comme une cellule hépatique humaine, contiennent la même information. Cependant, les génomes d'une cellule hépatique humaine et d'une cellule hépatique de souris contiennent chacun une information distincte. Parallèlement, le transcriptome contient des informations sur les activités fonctionnelles les plus susceptibles d'être réalisées à partir de l'information génomique, et le protéome, composante du transcriptome, représente des informations sur les activités fonctionnelles réellement effectuées. Les substances qui réalisent directement un « travail » essentiel dans les organismes vivants, comme la catalyse de réactions biochimiques, sont les protéines qui constituent le protéome.
L'organisme humain possède plus de 20 000 protéines distinctes, et les cellules humaines, selon leur type, présentent différentes combinaisons de ces protéines. Ainsi, certaines protéines sont communes aux cellules de la peau, aux cellules nerveuses, aux cellules musculaires, etc., tandis que d'autres sont spécifiques à certains types cellulaires. Les cellules subissent un processus appelé différenciation, au cours duquel un type cellulaire se transforme en un autre en réponse à des stimuli externes ou à un programme inné. Lors de cette différenciation, la combinaison de protéines que possèdent les cellules change également. Si la différenciation cellulaire est particulièrement visible au cours du développement individuel, le processus de transformation des cellules normales en cellules cancéreuses peut aussi être considéré comme un processus de différenciation.
Prenons l'exemple d'une étude protéomique appliquée aux cellules cancéreuses et aux cellules saines d'un patient. La comparaison des protéomes des cellules cancéreuses et des cellules saines permet d'identifier les protéines dont l'expression est modifiée dans les cellules cancéreuses par rapport aux cellules saines. Les scientifiques identifient ces protéines comme de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour le traitement du cancer et entreprennent des recherches à leur sujet. Les protéines dont l'expression est augmentée dans les cellules cancéreuses par rapport aux cellules saines peuvent être des candidats pour les oncogènes, tandis que celles dont l'expression est diminuée peuvent être des candidats pour les protéines suppresseurs de tumeurs.
Comment s'effectue le processus d'identification des protéines découvertes parmi les plus de 20 000 protéines humaines ? Les protéines sont constituées de 20 types d'acides aminés liés en séquence linéaire, chaque protéine comportant en moyenne environ 500 acides aminés. Puisque les séquences d'acides aminés varient d'une protéine à l'autre, la connaissance de la séquence d'acides aminés d'une protéine spécifique permet de déterminer son identité.
Plusieurs méthodes expérimentales permettent de déterminer la séquence d'acides aminés d'une protéine, dont l'analyse du poids moléculaire des peptides. Cette méthode consiste à traiter une protéine inconnue avec de la trypsine pour la cliver en peptides (fragments d'environ 10 acides aminés en moyenne), puis à mesurer le poids moléculaire de chaque peptide. La trypsine reconnaissant des acides aminés spécifiques pour le clivage, il est possible de prédire le site de clivage. De fait, les données d'analyse protéomique sont présentées numériquement sous forme de valeurs de poids moléculaire des peptides et de leur abondance relative. Les séquences d'acides aminés et les poids moléculaires de toutes les protéines humaines étant déjà connus, les résultats de l'analyse du poids moléculaire des peptides obtenus par traitement des protéomes de cellules cancéreuses et de cellules normales avec de la trypsine peuvent être utilisés pour identifier des protéines cibles thérapeutiques potentielles.
