Une lettre d’informations d’Act In Biotech

Belgique : Une carte reflétant les interactions entre les protéines d’une cellule

La plus grande carte interactome, reflétant les interactions possibles entre les protéines d’une cellule, a été réalisée pour l’organisme modèle Arabidopsis thaliana, une plante de la famille de la moutarde. Les résultats de cette étude, publiés dans la revue Science, révèlent notamment que la sélection naturelle agirait directement sur le réseau d’interactions entre protéines.

Naissance d’une passion…

Ingénieur biochimiste de formation, Benoît Charloteaux, aujourd’hui chercheur au sein de l’Unité de Génomique Animale du GIGA de l’Université de Liège, dirigée par le Professeur Michel Georges, porte un intérêt tout particulier à l’étude de la structure et de la fonction des protéines ainsi qu’aux interactions qui existent entre ces macromolécules indispensables à la vie. Au cours de sa thèse en modélisation moléculaire, réalisée au laboratoire du Professeur Robert Brasseur à Gembloux Agro-Bio Tech, il étudie les interactions entre protéines et membranes biologiques, se penchant notamment sur la protéine GP41 du virus du SIDA. Cette protéine dite  » de fusion  » se trouve à la surface de l’enveloppe du virus et lui permet d’entrer dans la cellule cible afin d’en prendre le contrôle. Si ces recherches avaient jusqu’alors comblé son intérêt pour les protéines, c’est en 2006 que Benoît Charloteaux se découvre une véritable passion : la biologie systémique ou biologie des systèmes.  » Le Professeur Marc Vidal, un ancien de Gembloux qui dirige maintenant le Center for Cancer Systems Biology au Dana-Farber Cancer Institute (Boston), était titulaire d’une Chaire Francqui et j’ai suivi plusieurs de ses conférences sur la biologie des systèmes « , se souvient Benoît Charloteaux.

La biologie des systèmes est une approche en plein essor qui consiste à étudier les interactions entre éléments d’un système biologique. Ces interactions peuvent impliquer des macromolécules telles que l’ADN, des protéines, etc.  » Pour vous donner une image parlante, la biologie systémique c’est comme regarder l’ensemble des pièces d’un moteur. Il est certes intéressant de connaître chaque pièce séparément mais il faut aussi comprendre comment elles s’associent et agissent les unes sur les autres « , compare Benoît Charloteaux. Comme pour un moteur, où la façon dont les pièces sont assemblées permet d’expliquer le bon ou mauvais fonctionnement de ce dernier, le réseau d’interactions entre constituants d’une cellule permet de comprendre le bon ou mauvais fonctionnement d’une cellule ou d’un organisme. Ainsi, pour mieux comprendre les relations entre le génotype et le phénotype, il faut donc analyser l’interactome sous-jacent, c’est-à-dire le jeu d’interactions entre toutes les macromolécules au sein de la cellule.

…et d’une collaboration

Suite à sa rencontre avec Marc Vidal et à la naissance de sa nouvelle passion, la biologie systémique, Benoît Charloteaux décide de contacter le scientifique pour lui proposer une collaboration.  » Son laboratoire est spécialisé dans la cartographie et l’étude de l’interactome et nous avions l’expertise au niveau de l’analyse de la structure des protéines, composants centraux de ces interactomes « , indique le chercheur. Les deux laboratoires travailleront alors ensemble sur deux projets abordant les perturbations des réseaux de protéines et leur implication sur le phénotype.  » Le but était de comprendre comment des perturbations spécifiques de certaines interactions au sein de l’interactome peuvent engendrer des modifications du phénotype « , précise Benoît Charloteaux.

L’un de ces projets visait à voir l’effet des mutations associées à certaines maladies génétiques humaines. Pour l’autre projet de recherche, les scientifiques ont travaillé sur le ver Caenorabditis elegans. Ces travaux visaient à isoler des mutations qui affectent spécifiquement une interaction entre deux protéines pour voir ensuite comment la perte de cette interaction se traduisait au niveau du phénotype.

La collaboration entre Benoît Charloteaux et Marc Vidal se déroulant à merveille, ce dernier propose au jeune chercheur de le rejoindre à Boston.  » Je suis parti en 2008, pour deux ans, dans le cadre d’un post-doctorat, je suis rentré en Belgique en septembre 2010 « , explique Benoît Charloteaux.

De protéines humaines à celles d’Arabidopsis Thaliana

Une fois les deux projets de recherche en cours achevés, Marc Vidal propose à Benoît Charloteaux de travailler sur l’interactome d’Arabidopsis thaliana. En effet, après avoir travaillé sur des interactomes humains, de la levure et du ver C.elegans, le Professeur Vidal désirait savoir si les propriétés des réseaux de protéines étaient similaires chez les plantes. Or Arabidopsis thaliana, également appelée l’arabette des dames, est une plante largement utilisée comme organisme modèle pour la recherche génétique dans le monde végétal.  » Au premier abord cela m’enthousiasmait moins de travailler sur une plante que sur l’homme ou les animaux « , indique le chercheur.  » Mais bien vite, j’ai compris que cela était une aubaine « , révèle-t-il. Car l’un des objectifs de Benoît Charloteaux est de découvrir dans quelle mesure des modifications spécifiques au niveau de l’interactome peuvent être liées à l’évolution.

 » Un mode de création de nouveauté génétique majeur est la duplication de gènes « , explique-t-il. Lorsqu’un gène est dupliqué au sein du génome, en première approximation, la copie est d’abord une reproduction identique du gène initial. Ensuite, les deux gènes accumulent, chacun de leur côté, des mutations et divergent jusqu’à éventuellement avoir des fonctions bien distinctes.  » C’est une source d’innovation génétique « , indique Benoît Charloteaux. Et le chercheur aimerait étudier comment divergent les protéines encodées par des gènes dupliqués et plus particulièrement les interactions médiées par celles-ci.  » Arabidopsis thaliana est une aubaine pour étudier ces aspects-là car cette plante contient énormément de dupliquas « , souligne-t-il.

La plus grande carte interactome jamais réalisée

Pour cartographier l’interactome d’Arabidopsis thaliana, les scientifiques ont utilisé la technique du double hybride, une technique expérimentale qui permet de tester systématiquement toutes les interactions possibles entre protéines d’une cellule.  » Elle consiste à tester deux par deux les protéines pour voir si elles sont capable d’interagir physiquement « , explique Benoît Charloteaux.  » Le principe est simple : on exprime chez la levure une protéine A et une protéine B, chacune fusionnée à un domaine différent d’un même facteur de transcription. Ces deux domaines doivent être proches l’un de l’autre pour que la transcription de l’ADN s’enclenche. Et on peut vérifier que celle-ci a bien eu lieu grâce à un gène rapporteur qui, s’il est exprimé, permet à la levure de pousser sur un milieu sélectif. », poursuit-il. Ainsi, si la protéine A et la protéine B interagissent, les deux domaines du facteur de transcription sont réunis, ce qui active la transcription du gène rapporteur et permet donc de détecter cette interaction.

Cette technique, appliquée à haut débit, a permis de tester de manière standardisée 8000 protéines par 8000, soit l’équivalent de 64 millions de paires de protéines ! Cela représente environ un tiers de l’ensemble des protéines d’Arabidopsis thaliana ou 10% de toutes les paires possibles pour cet organisme. La carte interactome qui en découle est le plus grand réseau de protéines cartographié expérimentalement de manière systématique pour un organisme. Les résultats de cette étude sont publiés dans la revue Science.  » Nous avons ainsi pu mettre au jour 5664 interactions entre 2661 protéines « , révèle Benoît Charloteaux.

Des implications et perspectives multiples

Les réseaux de protéines réalisés pour les différents organismes ont, entre autres, une propriété commune : beaucoup de protéines ont peu d’interactions et peu de protéines ont beaucoup d’interactions. Cette propriété serait liée au processus de sélection naturelle.  » Si on schématise les réseaux en représentant les protéines par des noeuds et leurs interactions par des liens entre ces noeuds, cette propriété permettrait d’éviter que l’ensemble du réseau soit trop affecté par une mutation aléatoire qui supprimerait un noeud. Le fait que peu de noeuds forment beaucoup de liens et inversement donne de la robustesse à un réseau « , explique Benoît Charloteaux.

D’un point de vue  » évolution « , cette étude a permis de démontrer que le remaniement des interactions des protéines provenant des gènes dupliqués joue un rôle prédominant dans leur devenir.  » On a une première preuve que la sélection naturelle agirait directement sur le réseau interactome. Si on reprend le schéma de réseau avec des noeuds, on a réussi à montrer ici que pour deux noeuds provenant d’un gène dupliqué, ces noeuds ont initialement des liens avec les mêmes partenaires. Mais ce qui change ensuite ce sont les liens et non les noeuds, ces derniers restent similaires. Ce qui veut dire que, au sein d’un réseau, les interactions évoluent plus vite que les protéines « , conclut le scientifique. Cette découverte ouvre des perspectives dans le domaine de l’étude de l’évolution.  » On pourrait à l’avenir imaginer comparer expérimentalement les interactomes de différentes espèces », s’enthousiasme Benoît Charloteaux.

En parallèle, d’autres chercheurs ont publié une étude dans le même numéro de la revue Science. Leurs travaux portent sur l’étude des cibles des pathogènes d’Arabidopsis thaliana au niveau du réseau des protéines. Les résultats montrent que les protéines virales tendent à cibler les protéines du réseau qui ont le plus de connexions. Les pathogènes auraient donc développé, au fil du temps, cette adaptation évolutive qui leur permet de mieux prendre le contrôle de la cellule hôte. A long terme, cette découverte pourrait mener à l’élaboration de nouvelles stratégies de sélection afin d’obtenir des plantes plus résistantes aux pathogens.

www.sciencemag.org/c…
Source: Rapports d’Ambassade

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