Laboratoire de spectroscopie de résonance magnétique nucléaire

Structure des protéines thérapeutiques par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire

Au Centre d'évaluation des vaccins, nous avons développé une expertise scientifique dans diverses nouvelles techniques qui constituent de nouveaux outils pour l’évaluation des produits biologiques. La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire est l’une des approches clés que nous utilisons pour l’étude des protéines.

 

Pourquoi étudier la structure des protéines?

Une protéine se compose de polypeptides, ou longues chaînes d’acides aminés, qui sont les bases de la vie. Ces chaînes se replient en de complexes paliers ou structures (conformations) tridimensionnels qui déterminent directement la capacité d’un ingrédient pharmaceutique actif (IPA) ou d’une molécule ciblée à fonctionner correctement. En d’autres termes, les protéines sont des biomolécules complexes qui forment les IPA des agents biologiques comme les hormones, les anticorps et les anatoxines. Ces protéines thérapeutiques ciblent d’autres protéines présentes dans le corps et interagissent avec elles.

Différentes maladies comme la fibrose kystique, l’encéphalopathie spongiforme transmissible (EST) et la maladie d’Alzheimer sont le résultat d’un changement dans la conformation des protéines. Ce changement peut entraîner la perte de la fonction biologique (par exemple, dans le cas de la fibrose kystique) ou la formation d’espèces neurotoxiques (dans le cas de l’EST et de la maladie d’Alzheimer).

Les changements de la structure des protéines peuvent avoir une incidence sur les fonctions de ces dernières. En étudiant la structure des protéines, nous pouvons obtenir de l’information sur les caractéristiques structurelles qui permettent à un IPA de bien fonctionner, différencier une protéine normale d’une protéine anormale et en découvrir l’incidence sur les fonctions des protéines.

 

Comment nous étudions la structure des protéines à l’aide de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire

Au Centre d’évaluation des vaccins, nous étudions la structure des protéines en mettant l’accent sur la relation entre la fonction biologique et la conformation des protéines. Nous obtenons ainsi une description, en terme de structure, des agents biologiques, des protéines ou des polypeptides, ce qui nous permet de jeter les bases pour comprendre pleinement ces molécules complexes. Nous utilisons notre connaissance de la relation entre la structure et la fonction des protéines pour déterminer et mettre au point des outils de bioanalyse permettant de caractériser ou d’évaluer les produits biologiques.

Grâce à une expertise dans l’utilisation d’une puissante technique appelée spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN), nous sommes en mesure d’étudier la structure des protéines. Nous utilisons également les dernières méthodes de biotechnologie pour produire des échantillons de protéine nécessaires pour l’application des techniques de RMN. Nous nous servons de protéines recombinantes ainsi que de la technologie des bioprocédés pour intégrer des isotopes stables, comme l’azote-15 et le carbone-13, ce qui nous permet d’utiliser des techniques de RMN multidimensionnelle. L’application de ces techniques augmente grandement la résolution, et nous sommes donc en mesure de déterminer et d’étudier la structure des protéines. Au départ, les méthodes d’analyse des produits biologiques sont généralement élaborées et testées avec des protéines marquées avant qu’elles puissent être utilisées pour tester les protéines présentes dans les préparations des produits biologiques.

Les recherches dans ce domaine permettent :

  • de caractériser la structure des protéines recombinantes thérapeutiques;
  • d’élaborer de nouvelles méthodes pour évaluer les produits biologiques ultérieurs (PBU) et les autres produits biologiques.

 

Concepts et outils utilisés dans l’étude de la structure des protéines

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) mesure la fréquence de précession d’un noyau atomique, comme un atome d’hydrogène, lorsque celui-ci est soumis à de forts champs magnétiques. Lorsqu’une molécule (par exemple, eau, protéine ou médicament) est exposée à un champ magnétique très puissant, le noyau se déplace telle une toupie sous l’effet du champ gravitationnel de la terre. Ce mouvement, illustré par la figure numéro 1, se nomme précession. La fréquence de précession d’un noyau est en lien direct avec le champ magnétique qui l’entoure.

Figure 1

Figure 1

1.1 : Toupie
1.2 : Noyau
1.3 : Champ (gravitationnel ou magnétique)

 

© Sa Majesté la Reine du chef du Canada, représentée par la ministre de Santé Canada (2009).


Dans une protéine, la fréquence de précession d’un noyau est influencée par son environnement. La spectroscopie de RMN nous permet donc de mesurer de nombreuses propriétés qui nous aident à déterminer la structure d’une protéine à une résolution élevée. Les protéines présentes dans une solution ne sont pas statiques; elles possèdent divers degrés de mouvement interne qui peuvent également être étudiés au moyen de la spectroscopie de RMN.

 

Point saillant de la recherche 1 : Identification des protéines à l’aide de la résonance magnétique nucléaire — Un nouvel outil permettant d’analyser les protéines et de caractériser les produits biologiques

Les protéines recombinantes thérapeutiques forment une catégorie de produits biologiques dans lesquels les protéines, comme les hormones et les anticorps, sont les principaux ingrédients pharmaceutiques actifs (IPA). Ces grosses molécules varient grandement en terme de forme, de composition et de structure, tout dépendant de leur environnement et de la façon dont elles sont produites. La structure de la protéine (ou sa conformation) détermine sa capacité à agir en tant qu’agent thérapeutique. Un changement dans la conformation de la protéine peut générer un produit thérapeutique inefficace susceptible d’entraîner des effets indésirables.

L’administration d’une protéine thérapeutique dans le corps humain demande que celle-ci soit mélangée (préparée) avec des additifs appropriés appelés excipients. En tant qu’ingrédient ajouté, les excipients permettent de bien administrer les IPA, de maintenir la conformation de la protéine et d’assurer une stabilité biochimique pendant de longues périodes (durée de vie). Pour évaluer la qualité de ces produits thérapeutiques, les chercheurs doivent être en mesure d’analyser la conformation des protéines présentes dans les préparations des produits.

Le spectre de résonance magnétique nucléaire (RMN) d’une protéine mesure la fréquence de la plupart des noyaux (proton, azote et carbone). Ces fréquences sont directement influencées par le champ magnétique entourant le noyau. Ainsi, la conformation d’une protéine possède une signature unique obtenue par RMN qui peut être considérée comme une empreinte, semblable aux empreintes digitales uniques chez l’humain. Les chercheurs utilisent l’empreinte d’une protéine obtenue par RMN pour déterminer et évaluer la conformation d’un IPA. Elle est ensuite comparée avec l’empreinte correspondante consignée comme norme de référence.

Les recherches dans ce domaine offrent de nouveaux outils pour :

  • évaluer si les changements apportés à la formulation des produits issus de la biotechnologie ont une incidence sur la structure des protéines et potentiellement sur l’activité du produit biologique;
  • évaluer la qualité des produits biologiques ultérieurs (PBU) ou toute autre protéine recombinante thérapeutique.

 

Point saillant de la recherche 2 : Prions -- Comment le mauvais repliement des protéines peut être la source de maladies

L'encéphalopathie spongiforme transmissible (EST) est également connue sous le nom de maladies à prions. Un changement structurel d'une protéine cellulaire normale en une forme pathogène (prions) peut infecter d'autres protéines normales.

Chez les animaux, les prions peuvent causer des maladies comme la tremblante du mouton et l'encéphalopathie spongiforme bovine (ESB) chez les vaches, mieux connue sous le nom de maladie de la vache folle, et la variante de la maladie de Creutzfeldt-Jakob (vMCJ) chez les humains. Ils peuvent également entraîner des maladies comme le syndrome Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS), la maladie de Creutzfeldt-Jakob (vMCJ), l'insomnie familiale fatale (IFF) et le kuru.

La conversion d'une forme normale à une forme infectieuse peut se produire sporadiquement (très rare) ou par le contact (par ingestion) avec des produits infectés. Des mutations génétiques ont été associées avec certaines formes d'EST. Nous souhaitons découvrir comment la forme normale se convertit en forme infectieuse et comment les mutations contribuent au processus. Puisqu'il existe des données dans la documentation scientifique au sujet des prions qui interagissent avec la membrane cellulaire, nous étudions de telles interactions d'un point de vue structurel.

Nous travail vise à nous permettre :

  • d'en apprendre davantage sur la structure des prions, ce qui nous fournirait des renseignements précieux nous permettant de mieux comprendre comment les maladies à prions, comme l'encéphalopathie spongiforme bovine (ESB) et l'insomnie familiale fatale, sont transmises aux gens et comment elles se développent.

 

Pour des renseignements au sujet du chercheur scientifique responsable de ce laboratoire, veuillez visiter son  profil dans le Répertoire des scientifiques et des professionnels

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