Riborégulateurs et applications cliniques : Daniel Lafontaine à TEDxUdeS

Professeur à l'Université de Sherbrooke, Daniel Lafontaine nous présente une toute nouvelle classe d’antibiotiques, les riborégulateurs !

Bonsoir à tous, je suis
très content d'être ici.

C'est mon premier TED,
je trouve le concept super.

On me dit de me mettre
dans la zone gazon, j'y suis.

(Rires) Je suis correct !

Ce soir, je vais vous parler
de ce qu'on fait au laboratoire,

au département de biologie,
science fondamentale et recherche.

Mon titre contient le mot
« riborégulateur ».

En recherche, on trouve et
on invente des choses,

Nous avons inventé un mot en français,
on pense qu'il fait l'affaire.

Tantôt, je vais définir ce que veut dire
« Riborégulateurs - Applications cliniques ».

Donc vous allez voir que
la recherche nous mène,

parfois, vers des endroits
où l'on ne pensait pas aller.

J'ai une formation de biophysicien,

ça ne va pas vraiment toujours avec
« applications cliniques », mais bon,

dans notre cas cela fonctionne.

En gros, nous sommes
tous des êtres vivants,

à ce que je sache, on a tous
quelque chose en commun,

un génome et je vais
vous dire ce que c'est,

pour qu'on comprenne la suite des choses.

Tout le monde connaît un grain de sel,

Si vous faites une petite recherche,
ça fait à peu près 500 micromètres,

donc c'est un demi millimètre.

Si on le compare à une cellule humaine,
dont nous sommes tous faits,

une cellule humaine c'est 30 µm,

donc elle est plus de 10 fois
plus petite qu'un grain de sel.

Maintenant, si on la compare
avec une bactérie qui fait 3 µm,

elle est à peu près 10 fois plus petite
qu'une cellule humaine.

Les bactéries sont infiniment petites.

Je reparle de bactéries
un peu plus loin,

c'est pour ça que je vous l'ai mis
dans la présentation.

Là, je vais vous présenter des faits
que je trouve intéressants.

Qu'est-ce que le génome,
il se trouve dans le noyau,

dans le cœur d'une cellule et
les chromosomes,

on en voit partout dans les films,
tout le monde sait de quoi il s'agit,

un chromosome est composé d'ADN.

Le génome est fait de chromosomes,

eux-mêmes constitués de parties
qui correspondent à un gène.

Il y a des milliers de gènes
dans un chromosome.

Qu'est-ce qu'un gène ?
On peut penser que les gens

qui ont les yeux bleus
ont des gènes « yeux bleus »,

que ceux qui ont des cheveux blonds
ont des gènes « cheveux blonds », etc.

Donc en gros, c'est ce qui fait
une bonne partie de nous-même.

Le génome est très compacté
en termes d'informations,

il contient 3 milliards de nucléotides.

C'est comme un grand livre où
on l'on pourrait lire le code génétique.

Pour ceux qui connaissent l'informatique,
c'est 3 Go de données.

C'est beaucoup de chansons
à écouter pendant longtemps.

Autre fait intéressant,
si on prend l'ADN

de chacune de nos cellules,
chacune contient de l'ADN,

et qu'on le déplie
comme un brin, un fil,

et qu'on mette tout
cet ADN bout à bout,

on fait vraiment 6000 fois
la distance Terre-Lune aller-retour.

Je viens de revérifier,
ce sont vraiment les chiffres,

j'ai même vu 8000 quelque part.
Donc 6000, c'est une petite limite.

Puis, si vous engagez quelqu'un qui tape
60 mots/minute, c'est assez rapide,

puis cette personne
fait ça 8 heures par jour,

ça lui prendra environ 50 ans
pour retranscrire un génome,

c'est beaucoup d'années.

Puis, j'ai mis ça ici
pour vous faire réagir,

vous direz ça à vos parents
ce soir en revenant.

Si vous vous comparez à une banane,
vous êtes 50 % identiques,

au niveau du génome
avec une banane.

Donc c'est pour dire que

les fonctions de base d'un fruit

correspondent à peu près
à la moitié de ce qu'on est.

Évidemment, pour faire quelqu'un comme

Albert Einstein, il faut
un peu plus qu'une banane.

(Rires) On continue. (Rires)

Une cellule humaine ou une bactérie,
comprend 3 choses importantes :

le génome, qu'on a mentionné tantôt,
il y a l'ARN, que vous ne connaissez pas,

c'est normal, on va y revenir plus tard,

et les protéines,
souvent les filles voient ça

sur les choses qu'on mange,
il y a tant de protéines,

tant de lipides,
c'est important aussi. (Rires)

Donc, il y a 3 joueurs.

Voici ma diapo la plus compliquée :

comment ça fonctionne ?

On peut voir une cellule un peu
comme une chaîne de montage.

À gauche, l'ADN, le grand livre où
toute l'information se retrouve.

On ne peut pas s'en servir comme ça.

Il faut la transcrire pour faire de l'ARN.

Dans la cellule, on prend de l'ADN,
on fait de l'ARN.

Jusqu'à récemment, on ne savait pas ce
qu'il faisait, à part d'être un messager.

Puis, l'ARN va être traduit en protéine.

Ce sont les protéines qui font
le vrai travail dans une cellule,

elles font la parois de la cellule,
elles font se diviser les cellules,

elles servent un peu à tout.

Certaines de ces protéines, des enzymes,

vont faire la synthèse de métabolites.
Qu'est-ce qu'un métabolite ?

Imaginez que je sois une protéine,

et que j'aie une feuille de papier et
que je doive la découper en lignes droites

mais je n'en suis pas capable
moi-même, je veux la déchirer.

Mon métabolite, ou mon co-enzyme,
ce serait une paire de ciseaux

pour découper la feuille.

Je me sers d'outils, un métabolite c'est
un peu comme un outil pour une protéine.

Finalement, tout ça est régulé
au niveau génétique.

Par exemple, en cas
d'excès d'une protéine,

elle va stopper ou diminuer
la chaîne de montage

au niveau de la transcription ou de la traduction.

S'il n'y en a pas assez, elle va augmenter
la capacité de la chaîne de montage.

Autre chose, au niveau des métabolites,
c'est un peu pareil.

S'il y a trop de métabolites ou pas assez,
on va aller changer la chaîne de montage

pour obtenir la bonne concentration

dans la cellule d'un métabolite donné.

D'après ce que je vous ai dit,
les protéines sont centrales

dans la régulation génétique.

Mais, je suis ici ce soir

parce qu'il s'est passé quelque chose
au début des années 2000.

Dans le monde de la recherche,
c'est comme si c'était hier,

ça fait 12 ans et c'est
vraiment très récent.

Un événement s'est produit :
3 labos différents

ont réfléchi et ont résolu

un problème connu
depuis une trentaine d'années.

On avait observé des choses
chez les bactéries et

on ne trouvait pas de protéines
impliquées dans la régulation.

Ces labos ont fait la découverte que

les métabolites pouvaient
se lier directement aux ARNs

et alors, on pouvait réguler au niveau
de la transcription ou de la traduction.

À cette époque, dans les années 70,
c'était farfelu, on pensait

que l'ARN ne durait pas longtemps,

qu'il ne servait pas à grand-chose.

Les protéines faisaient le travail.

Mais là, on a montré que

les métabolites peuvent
faire quelque chose.

Quand on parle d'ARN, on parle d'un sucre,
le ribose, et comme cet ARN régule,

vous connaissez l'étymologie
du mot riborégulateur :

c'est un ARN qui régule. Au laboratoire,
nous travaillons dessus.

En gros, on a notre chaîne de montage.

À quoi peut ressembler
un riborégulateur ?

Si on fait un zoom sur un ARN,
il contient 2 régions.

En vert c'est le riborégulateur, en bleu,
la partie codante pour les protéines.

Si on zoome au niveau du riborégulateur,
on peut voir deux parties.

Leur conformation et leur structure
sont importantes pour l'activité du gène.

Dans ce cas, on peut imaginer
que le gène va être exprimé,

et que la protéine va être produite.

La chaîne de montage va être suivie,

tout va se passer comme il faut.

Par contre, si notre métabolite se lie

sur notre ARN messager, par un lien,
une réelle interaction physique

entre le métabolite et l'ARN,

la conformation de l'ARN change

et ça va entraîner un changement
au niveau de la chaîne de montage.

Là, on a un stop,
donc on bloque la chaîne de montage.

Et, s'il y a trop de métabolites,

on va stopper sa production, puis
sa concentration va pouvoir diminuer.

S'il n'y en a pas assez,
on va l'augmenter.

Mais ici, il y a un stop,
son expression diminue.

Comment ça marche ?
Tout simplement, ici,

je vous ai mis la structure
d'un riborégulateur

pour vous montrer que lorsqu'un ligand
se lie à l'intérieur d'un riborégulateur,

il change de structure.

On va finalement stopper
l'expression du gène.

Puis, il y a d'autres cas où
l'expression peut être changée

et alors, on va augmenter
l'expression du gène.

En haut, en bon français,
on appelle ça un switch-off,

qui permet de réprimer l'expression,

en bas, notre switch-on,
pour augmenter l'expression.

Les deux cas sont possibles.

Voici le génome d'une bactérie,
Bacillus subtilis.

Comme vous le voyez, plusieurs types
de riborégulateurs sont connus.

Certains sont tout simples,
on dirait un trèfle à 4 feuilles.

D'autres sont beaucoup plus complexes,
ce sont de très gros ARN,

qui peuvent réguler de gros métabolites
comme la vitamine B12.

On a presque tout ce qui peut se passer
pour un génome dans ce cas-là.

Si vous n'avez pas compris jusque-là
comment un riborégulateur fonctionne,

c'est à ce stade que je parie
que tout le monde va comprendre.

On a 2 structures qui ont
2 fonctions différentes.

À quoi ça vous fait penser ?

À un transformer.

2 structures, 2 fonctions différentes.

Puis, juste pour le plaisir,
il existe un autre type de transformer,

c'est la manette-transformer.

ce sont des choses qui existent, et
puisqu'on parle de diversité en biologie,

je vous parie que vous n'avez jamais vu
le shoe-switch ! (Rires)

Des gens achètent ça sur Internet,

il y a un prix là-dessus.

Donc, plusieurs types de riborégulateurs
qui ont des fonctions différentes :

vous avez tout compris !

On passe à la prochaine diapo,

où l'on va diverger
un peu de ce qu'on faisait.

Vous allez voir ce qu'on fait, nous.

Il y a quelques années
à Sainte-Hyacinthe,

il y a eu des infections difficiles,
on voyait ça aux nouvelles,

les gens avaient beaucoup de problèmes,
manque d'antibiotiques.

Les bactéries devenaient
résistantes aux antibiotiques.

Vous ne savez peut-être pas,
mais les scientifiques

pensent que maintenant
il est minuit moins 5,

dans le sens où à minuit, on n'aura plus
d'antibiotique pour contrer les bactéries.

Donc, c'est important de développer
de nouveaux antibiotiques.

C'est suite à un reportage comme ça,
qu'un étudiant du labo est venu me voir

et me dit :
« Daniel, je veux un vrai projet. »

Il voulait utiliser les riborégulateurs
et développer de nouveaux antibiotiques,

chose que l'on disait impensable,
parce que l'ARN, c'était un messager,

on ne pensait pas que ça pouvait servir
pour développer des outils thérapeutiques.

Juste pour rappeler ma diapo de tantôt,

on a une chaîne de montage,

si beaucoup de métabolites sont produits,

notre métabolite va se lier à l'ARN,
on va stopper l'expression,

jusqu'à ce que le niveau du métabolite
diminue dans la cellule,

jusqu'à ce qu'on n'en n'ait plus assez

pour lier à l'ARN, le riborégulateur.

Notre chaîne de montage va repartir
pour refaire la production du métabolite.

C'est une chaîne rétro-active,
qui se contrôle de façon autonome.

Nous, l'hypothèse qu'on avait émise,
c'était que, imaginons :

la chaîne de montage de la bactérie
contrôle un gène essentiel pour sa survie.

Si on prend un métabolite artificiel,

qu'on va appeler ici, analogue,

il peut se lier au riborégulateur

mais ne peut pas
être utilisé par la bactérie

donc, il ne sera pas métabolisé
dans la bactérie.

Dans ce cas-là, si vous voulez,
on a créé un imposteur,

l'analogue peut se lier au riborégulateur,

pour faire croire à la bactérie
qu'il y a beaucoup de métabolite,

mais en fait, il n'y en a pas car c'est
un analogue qui ne peut pas être utilisé.

L'expression d'un gène essentiel,

va être toujours réprimée,

parce que l'analogue

se lie au riborégulateur.

On devrait en principe
tout simplement tuer la bactérie.

Dans mon labo, on fait un petit peu
de biochimie, biophysique,

on est des fans de structures 3D.

Quand on voit une structure comme ici
à gauche, on est très heureux.

Ici, c'est la structure tridimensionnelle
d'un riborégulateur, on connaît tout.

Le G en rouge c'est une guanine,
c'est son métabolite,

on connaît sa structure.

Un zoom au niveau du site de liaison

montre que la guanine en rouge,
est reconnue par tous ses atomes.

On sait quels atomes du métabolite
sont importants et lesquels ne le sont pas.

Puis, ce qu'on peut faire, en gros,

c'est tout simplement regarder la guanine
qui est en bas ici, à gauche,

et essayer de trouver des métabolites
qui lui ressemblent un peu, pas trop,

qui vont être capables de faire
les mêmes interactions.

Les flèches montrent le riborégulateur.

Ici, on a baptisé 2 analogues PC1 et PC2,
qui ont à peu près les mêmes flèches,

rouge et bleu, mais
pas la même structure.

Nous avons prédit qu'ils vont pouvoir
se lier aux riborégulateurs,

mais qu'ils ne pourront pas
être métabolisés par la cellule.

Donc, ce seraient de bons candidats
pour devenir des antibiotiques.

Puis, on a fait un antibiogramme.

Qu'est-ce que c'est ?
Je vais vous expliquer.

Prenez un plot de gélose sur lequel
vous faites pousser des bactéries,

Voilà ce qu'on fait.

Donc ce que vous voyez sur le Pétri,
ce sont des bactéries qui poussent.

Ici, Staphyllococcus aureus.

On perce 6 trous dans le Pétri et on met
ce qu'on pense être des antibiotiques.

Dans le puits n°1,
on voit un halo plus foncé,

à l'endroit où les bactéries
n'ont pas poussé.

Ici, dans le cas de PC1, on sait qu'il
empêche la croissance des bactéries.

Donc, ça suggère qu'il est antibiotique.

Il faut faire beaucoup d'autres tests
pour le montrer, évidemment.

C'est ce qu'on a fait et il s'est avéré,
effectivement, être un bon antibiotique.

Donc, ce qu'on a aussi fait,
pour les scientifiques de la salle,

c'est qu'on a fait un criblage
de plusieurs souches de bactéries.

On s'est rendu compte que
PC1 n'était pas toujours actif,

mais, pour une bonne raison :

il ne va pas cibler les bactéries,
il ne va pas tuer les bactéries

qui n'ont pas un certain gène
devant le riborégulateur.

En gros, on montre que, c'est seulement
quand un gène qui est appelé GuaA

est devant le riborégulateur,
qu'on va tuer ces bactéries-là.

C'est très intéressant parce qu'on ne veut
pas tuer toutes les bactéries au complet.

Dans votre tube digestif,
certaines bactéries

comme Escherichia coli sont nos amies,
on veut pas les tuer.

Donc, c'est pour ça ici
que c'est important de cibler.

Vous pouvez peut-être voir qu'il y a
des bactéries assez dangereuses,

dans le sens qu'on a du SAM
résistantes à la métycyline,

on a aussi S. aureus qui résiste
au bétalactame, à l'érythromycine, etc.

C'est intéressant parce que PC1
a réussi à tuer cette bactérie-là.

On a vraiment ciblé une voie qui semble
être différente des autres antibiotiques.

On était très heureux, on peut pousser
les bactéries à devenir résistantes.

On a essayé jusqu'à 30 cycles,
on n'a pas pu forcer la bactérie

à devenir résistante
à notre antibiotique PC1.

On pense que la cible qu'on a touchée
est peut-être le talon d'Achille

des bactéries résistantes.
Dans le futur,

on va voir si ça fonctionne vraiment mais
c'est très encourageant jusqu'à présent.

En résumé, PC1 est vraiment
une nouvelle classe d'antibiotiques

depuis 30 ans !

Donc, on est très heureux de ça et
d'après ce qu'on a publié,

d'après les commentaires
des autres scientifiques,

ça semble très prometteur pour le futur,

pour développer
d'autres sortes d'antibiotiques.

En vous projetant dans 10 ans
que pourra-t-on faire avec eux ?

Imaginez que vous ayez un interrupteur,

que vous puissiez interrompre plus ou moins
tous les gènes d'une bactérie,

ou d'une autre espèce, on ne sait pas...

Et encore, que pourrait-on faire ?

Je pense qu'on peut évidemment trouver
d'autres classes d'antibiotiques,

ça semble assez évident.

Si on se laisse aller, on pourrait penser
à d'autres choses, par exemple,

on pourrait inventer
un nouveau type de diagnostic

pour détecter des molécules précurseurs

de certaines maladies.

On pourrait coupler un riborégulateur
à un gène qui rapporte son expression,

un gène de couleur ou
de n'importe quoi d'autre.

Autre chose aussi qu'on pourrait faire,
c'est développer un système

de détection de polluants.
On pourrait penser fabriquer

des riborégulateurs produisant un composé
comme le BPC, c'est possible,

puis développer des systèmes
de détection comme ça.

Il y a plein d'autres choses auxquelles
on pourrait penser mais bon...

L'équipe du laboratoire qui travaille là-dessus

(je suis en collaboration avec trois autres chercheurs) :

François Malouin, département de biologie

Louis-Charles Fortier qui est au CHU,

puis Éric Marsault qui est à l'IPS,

Merci.

(Applaudissements).