Les biologistes ont cartographié plus de 300 protéines kinases et leurs cibles, qui, espèrent-ils, pourraient fournir de nouvelles pistes pour les médicaments anticancéreux

L’identification des protéines kinases impliquées dans le dysfonctionnement cellulaire et le développement du cancer pourrait donner de nombreuses nouvelles cibles médicamenteuses, mais pour la grande majorité de ces kinases, les scientifiques n’ont pas une idée claire des voies cellulaires dans lesquelles elles sont impliquées ou de leurs substrats.

“Nous avons beaucoup de données de séquençage pour les génomes du cancer, mais ce qui nous manque, c’est l’étude à grande échelle de la voie de signalisation et des états d’activation de la protéine kinase dans le cancer. Si nous avions ces informations, nous aurions une bien meilleure idée de la façon dont pour traiter des tumeurs particulières », déclare Michael Yaffe, professeur de sciences David H. Koch au MIT, directeur du MIT Center for Precision Cancer Medicine, membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT et l’un des principaux auteurs de la nouvelle étude.

Yaffe et d’autres chercheurs ont maintenant créé un atlas complet de plus de 300 des protéines kinases présentes dans les cellules humaines et identifié les protéines qu’elles ciblent et contrôlent probablement. Ces informations pourraient aider les scientifiques à déchiffrer de nombreuses voies de signalisation cellulaire et à découvrir ce qui arrive à ces voies lorsque les cellules deviennent cancéreuses ou sont traitées avec des médicaments spécifiques.

Lewis Cantley, professeur de biologie cellulaire à la Harvard Medical School et au Dana Farber Cancer Institute, et Benjamin Turk, professeur agrégé de pharmacologie à la Yale School of Medicine, sont également les principaux auteurs de l’article, qui paraît aujourd’hui dans La nature. Les principaux auteurs de l’article sont Jared Johnson, instructeur en pharmacologie au Weill Cornell Medical College, et Tomer Yaron, étudiant diplômé au Weill Cornell Medical College.

“Une pierre de Rosette”

Le génome humain comprend plus de 500 protéines kinases, qui activent ou désactivent d’autres protéines en les marquant avec une modification chimique connue sous le nom de groupe phosphate. Pour la plupart de ces kinases, les protéines qu’elles ciblent sont inconnues, bien que la recherche sur des kinases telles que MEK et RAF, qui sont toutes deux impliquées dans les voies cellulaires qui contrôlent la croissance, ait conduit à de nouveaux médicaments anticancéreux qui inhibent ces kinases.

Pour identifier des voies supplémentaires qui sont dérégulées dans les cellules cancéreuses, les chercheurs s’appuient sur la phosphoprotéomique utilisant la spectrométrie de masse – une technique qui sépare les molécules en fonction de leur masse et de leur charge – pour découvrir des protéines qui sont plus fortement phosphorylées dans les cellules cancéreuses ou les cellules saines. Cependant, jusqu’à présent, il n’existait aucun moyen simple d’interroger les données de spectrométrie de masse pour déterminer quelles protéines kinases sont responsables de la phosphorylation de ces protéines. Pour cette raison, on ne sait toujours pas comment ces protéines sont régulées ou mal régulées dans la maladie.

“Pour la plupart des phosphopeptides mesurés, nous ne savons pas où ils se situent dans une voie de signalisation. Nous n’avons pas de pierre de Rosette que vous pourriez utiliser pour examiner ces peptides et dire, c’est la voie que les données nous parle », dit Yaffe. “La raison en est que pour la plupart des protéines kinases, nous ne savons pas quels sont leurs substrats.”

Il y a vingt-cinq ans, alors qu’il était postdoctoral au laboratoire de Cantley, Yaffe a commencé à étudier le rôle des protéines kinases dans les voies de signalisation. Turk a rejoint le laboratoire peu de temps après, et les trois ont depuis passé des décennies à étudier ces enzymes dans leurs propres groupes de recherche.

“Il s’agit d’une collaboration qui a commencé lorsque Ben et moi étions dans le laboratoire de Lew il y a 25 ans, et maintenant tout se met enfin vraiment en place, en grande partie grâce à ce que les auteurs principaux, Jared et Tomer, ont fait”, a déclaré Yaffe.

Dans cette étude, les chercheurs ont analysé deux classes de kinases – les sérine kinases et les thréonine kinases, qui représentent environ 85 % des protéines kinases du corps humain – en fonction du type de motif structurel sur lequel elles placent des groupes phosphate.

Travaillant avec une bibliothèque de peptides que Cantley et Turk avaient précédemment créée pour rechercher des motifs avec lesquels les kinases interagissent, les chercheurs ont mesuré comment les peptides interagissaient avec les 303 sérines et thréonines kinases connues. En utilisant un modèle informatique pour analyser les interactions qu’ils ont observées, les chercheurs ont pu identifier les kinases capables de phosphoryler chacun des 90 000 sites de phosphorylation connus qui ont été signalés dans les cellules humaines, pour ces deux classes de kinases.

À leur grande surprise, les chercheurs ont découvert que de nombreuses kinases avec des séquences d’acides aminés très différentes ont évolué pour se lier et phosphoryler les mêmes motifs sur leurs substrats. Ils ont également montré qu’environ la moitié des kinases qu’ils ont étudiées ciblent l’une des trois principales classes de motifs, tandis que l’autre moitié est spécifique à l’une d’une douzaine de classes plus petites.

Réseaux de décodage

Ce nouvel atlas des kinases peut aider les chercheurs à identifier les voies de signalisation qui diffèrent entre les cellules normales et cancéreuses, ou entre les cellules cancéreuses traitées et non traitées, explique Yaffe.

“Cet atlas des motifs de kinases nous permet maintenant de décoder les réseaux de signalisation”, dit-il. “Nous pouvons examiner tous ces peptides phosphorylés et nous pouvons les cartographier sur une kinase spécifique.”

Pour démontrer cette approche, les chercheurs ont analysé des cellules traitées avec un médicament anticancéreux qui inhibe une kinase appelée Plk1, qui régule la division cellulaire. Lorsqu’ils ont analysé l’expression des protéines phosphorylées, ils ont constaté que bon nombre des personnes affectées étaient contrôlées par Plk1, comme ils s’y attendaient. À leur grande surprise, ils ont également découvert que ce traitement augmentait l’activité de deux kinases impliquées dans la réponse cellulaire aux dommages à l’ADN.

Le laboratoire de Yaffe s’intéresse maintenant à l’utilisation de cet atlas pour essayer de trouver d’autres voies de signalisation dysfonctionnelles qui entraînent le développement du cancer, en particulier dans certains types de cancer pour lesquels aucun facteur génétique n’a été trouvé.

“Nous pouvons maintenant utiliser la phosphoprotéomique pour dire, peut-être que dans la tumeur de ce patient, ces voies sont régulées à la hausse ou ces voies sont régulées à la baisse”, dit-il. “Il est susceptible d’identifier les voies de signalisation qui entraînent le cancer dans des conditions où il n’est pas évident de savoir quelle est la génétique qui entraîne le cancer.”

La recherche a été financée par la Leukemia and Lymphoma Society, les National Institutes of Health, Cancer Research UK, la Brain Tumor Charity, la fondation Charles et Marjorie Holloway, le MIT Center for Precision Cancer Medicine et la subvention de soutien (de base) de l’Institut Koch. de l’Institut national du cancer.