Cours BTECH04 : Protéomique structurale et fonctionnelle Description du cours : Ce cours permet aux étudiants d’acquérir une meilleure compréhension des concepts fondamentaux de l’approche protéomique. Il comprend une introduction générale sur les protéines et le complément protéique du génome « protéome », une étude des instrumentations utilisées pour l’analyse protéomique (2D SDS-PAGE, spectrométrie de masse), ainsi que l’application pratique de protéomique dans les différents domaines de biologie en se concentrant surtout sur l’étude du cancer et du système cardiovasculaire. A la fin de ce cours, les étudiants doivent avoir une vision globale de la protéomique ainsi que ses utilisations dans le contexte de biomarqueurs de protéines et de découverte de cibles thérapeutiques. Partie I : Protéine-Protéome 1. Le proteome 2. Biochimie des proteins • Synthèse des protéines • Modifications post-transcriptionnelles et post-traductionnelles • Structure des proteins 3. Code génétique et séquençage d’ADN Partie II : Procédures protéomiques 1. Différents types d’analyse protéomique 2. Plateforme protéomique 3. Etapes de l’analyse protéomique • Préparation de l’échantillon en protéomique • Electrophorèse bidimensionnelle • Spectrométrie de masse • Notion de base en bioinformatique Partie III : Applications de la protéomique 1. Protéomique Clinique • Protéomique et maladies cardiovasculaires • Protéomique et cancer 2. Protéomique et développement des médicaments • Recherche des cibles médicamenteuses • Prévention des effets secondaires des médicaments Exemple -Rôles – Isoler des compartiments – Réguler des transferts – Assurer la communication (Terme « inventé » en 1994 par Mark Wilkins de l'Université Macquarie de Sydney). Même génome mais différents proteomes • La chenille qui se transforme en papillon. Avec les mêmes gènes, cet insecte présente une morphologie clairement différente selon son stade de développement. • Ces différences sont liées à une modulation du protéome et non du génome. • La complexité du protéome dépasse de très loin la séquence du génome. • Ce sont les protéines et non les gènes qui accomplissent les différentes fonctions cellulaires. L’exemple le plus connu est celui exposé par Friedrich Lottspeich en 1999 dans sa revue intitulée « One génome - différent proteomes ». génomes : c. elegans humain 10 000 gènes 25 000 gènes Arabidopsis 20 000 gènes riz 49 000 gènes la complexité tiendrait surtout aux réactions chimiques réalisées et contrôlées par les protéines protéines attendues chez l’humain : entre 500 000 et 5 millions la protéomique paraît la méthode logique et prometteuse pour étudier les mécanismes moléculaires de la cellule PROTEOME & PROTEOMIQUE • Le protéome est l'ensemble des protéines produites par un génome (60000 protéines chez l'Homme); • Le protéome résulte de la traduction du génome en protéines dans des conditions de vie définies. Il varie selon le type des cellules, leurs activités et leur environnement; • La taille du protéome est plus importante que celle du génome, car un gène peut coder pour plusieurs protéines en considérant les modifications introduites par la maturation des mRNA et les modifications post-traductionnelles (glycosylation, phosphorylation,...); • Le protéome est dynamique, le génome est constant ( le proteome varie temporellement et spatialement); • L'étude du protéome, la protéomique, permet une meilleure compréhension du fonctionnement cellulaire. La proteomique : La science qui étudie le proteome: - Identifier les protéines d’une culture cellulaire, un tissu ou un fluide biologique - Localiser les protéines - Etudier leurs modifications post traductionnelles - Quantifier les protéines, leurs variations en fonction du temps, de leur état de développement, de leur état physiologique et pathologiques. - Etudier les interactions protéine/protéine, protéine/ADN ou ARN - Etudier la fonction de chaque protéine - Etudier la structure de chaque protéine ( proteomique structurale) Le but de la proteomique n’est donc pas seulement d’identifier toutes les protéines mais aussi de créer un réseau multidimensionnel des protéines d’une cellule intégrant leurs interactions et localisations. En réponse à un signal interne ou externe, les protéines peuvent subir des modifications post-traductionnelles, changer de compartiment cellulaire (sécrétion,…), être synthétisées ou dégradées. Peu d’histoire : • le terme de protéomique est récent; • utilisé pour la première fois dans une publication scientifique en 1997 par James P. dans son article Identification des protéines dans l'ère post-génomique : l'ascension rapide de la protéomique; • il dérive de protéome, terme inventé en 1995, par analogie avec génomique qui dérive lui même du terme génome, l'ensemble des gènes d'un organisme; • en 1883, Anselme Payen et Jean-François Persoz isolèrent d'un extrait de malt une enzyme capable de catalyser la dégradation de l'amidon en sucre; • en 1965, André Lwoff, François Jacob et Jacques Monod reçurent le prix Nobel de médecine « pour leurs recherches sur la manière dont la production des enzymes est réglée au niveau des gènes » publiées en 1961). De nombreuses techniques, encore largement utilisées, ont été développées: • la technique d'électrophorèse a été développée en 1892; • le principe de la chromatographie date de 1861 par Friedrich Goppelsröder; • depuis une dizaine d'années, la protéomique est devenue une science à part entière, avec ses techniques propres et ses méthodes. Pourquoi le proteome ? • une somme d'informations issues de l’analyse génomique; • un stock d’informations que constitue le génome à la production des molécules qui vont déterminer et réguler la vie cellulaire, les protéines; • la séquence de chaque gène sera transcrite (ou non) en un ARN messager (ARN-m), luimême traduit en protéine; • une transcription partielle pouvant donner naissance à différents ARN-m, chacun de ceux-ci pouvant aboutir à plusieurs protéines. Une série de raisons plaidant en faveur du développement de l'analyse protéomique : 1- une identification et une estimation des taux de protéines sont cruciales pour obtenir une image complète de processus biologiques divers. Les protéines à l'intérieur de la cellule est régulée à aux niveaux transcriptionnel, traductionnels et post-traductionnels, de telle sorte qu'aucune relation simple ne peut être établie entre taux d'ARN-m et de protéines. Un gène unique, et même un ARN-m unique, peut conduire à plusieurs protéines distinctes par leur(s) fonction(s). 2- Une même protéine pourra selon l’état cellulaire (différenciation, prolifération, apoptose) se retrouver dans un compartiment donné (cytoplasme, noyau, mitochondrie) ou être secrétées par la cellule. Sans l’analyse du protéome, une modification de localisation de la protéine nécessaire à son activité biologique passera inaperçue. 3- La plupart des protéines ne parviennent à leur forme biologiquement active qu'à la suite d'étapes de maturation co- et post-traductionnelles telles que glycosylation, phosphorylation, déamination, ... Ces modifications confèrent souvent à la protéine sa fonctionnalité. Elles sont également les indicateurs de l’état de la machinerie cellulaire. 4- Finalement, les résultats du projet de séquençage du génome humain constituent un argument définitif pour la nécessité d’une étude approfondie du protéome. La découverte surprenante que ce génome contienne beaucoup moins de gènes que prédits démontre l’importance des protéines comme acteurs centraux des processus biologique. 5- le proteome est la représentation fonctionnelle du génome ; de nombreuses organismes y compris l’homme révèlent leurs génomes. La séquence complète du génome humaine contient 3 milliards de bases et environ 25 000 gènes. Ces gènes sont analogues a la liste des pièces d’une voiture. Le proteome est analogue a l’ensemble des composants formes a partir de ces différentes pièces assurant chacun une unité fonctionnelle déterminée (ex : voie de transduction d’un signal ou un canal ionique dans une membrane).
