Eprouver le rôle central des protéines dans le fonctionnement normal et la maladie

Plan global de la procédure

• A) La place centrale des protéines - Les protéines ont une structure 3D -> . Cf. le document le document produit à l'occasion d'une formation continue ici.pdf
  • notamment voir -> 3.1 Répertoire de questions pour réaliser des TP de biologie
• B)  la maladie est un problème de protéines en trop, en insuffisance ou défectueuse -> Cf. page 6 dans le document produit à l'occasion d'une formation continue ici.pdf
  • notamment voir-> 3.2 Répertoire de questions pour réaliser des TP de biologie
• C)  La protéine cible dans un contexte d'innombrables autres molécules -> Cf. page 10 dans le document produit à l'occasion d'une formation continue ici.pdf
  • Notamment voir 3.3 Répertoire de questions pour réaliser des TP de biologie en exploitant les outils de drug-design produits par le SIB
• D) Perspective didactique (les conceptions et modèles des élèves qui pourraient faire obstacle à la compréhension, et des pistes pour les gérer.

Les indications détaillées sont dans le document produit à l'occasion d'une formation continue.pdf et dans le document du SIB http://www.atelier-drug-design.ch

Cf fiche technique du site du SIB http://www.atelier-drug-design.ch/braf.php

Liste de questions pouvant guider les élèves dans les TP

A) La place centrale des protéines

Répertoire de questions pour réaliser des TP de biologie sur la place cruciale des protéines et la maladie

On dit parfois que la séquence d’acides aminés (a.a) détermine l’activité de la protéine. En quoi est-ce correct et en quoi cela est-il incomplet ?

Comment la structure secondaire et tertiaire est-elle établie avec ce que vous avez pu voir jusqu’ici ? (Dans quels organites ? Comment ?)

Peut-on actuellement prédire la forme que prendra une protéine à partir de sa séquence ?

Comment est déterminée la forme que prend effectivement une protéine ? Comment la forme constatée détermine-t-elle l’activité de la protéine ?

Comparez la séquence sur UniprotKB, puis la forme 3D pour diverses protéines

• Insuline (http://www.rcsb.org/structure/1ben)
• Immunoglobuline IgG ( http://www.rcsb.org/structure/1igy)

Y a-t-il une façon aisée de déterminer la structure 3D en examinant la séquence ?

Cf par exemple cet article  : Callaway, E. (2020). ‘It will change everything’ : DeepMind’s AI makes gigantic leap in solving protein structures. Nature, 588(7837), 203‑204. https://doi.org/10.1038/d41586-020-03348-4

Quelle lien peut-on voir entre la forme de l’hormone, l’anticorps et leur fonction ?

• (cf. scénario Éprouver le lien entre structure, séquence et fonction d'une protéine)

B) Exploration du mécanisme produisant les effets thérapeutiques d’une molécule - médicament.

Répertoire de questions pour TP de biologie

La génétique mendélienne parle de phénotype et d'allèle, nous parlons ici de variants et de maladies. Pouvez-vous expliquer avec ce que vous savez de la génétique moderne phénotype et allèle, dominant et récessif ?

Indiquez ce que vous pensez au début du labo. Reprenez cette partie à la fin avec votre compréhension plus aboutie

Qu’est-ce qu’une maladie pour vous ? Indiquez ce que vous pensez au début du labo. Reprenez cette partie à la fin avec votre compréhension plus aboutie

Sur quel lien entre protéines et maladie repose la logique de production de médicament qui est explorée ici ? Indiquez ce que vous pensez au début du labo. Reprenez cette partie à la fin avec votre compréhension plus aboutie

Citez quelques maladies et les protéines concernées ainsi que le problème que pose leur surnombre ou forme anormale ? Indiquez ce que vous pensez au début du labo. Reprenez cette partie à la fin avec votre compréhension plus aboutie

Comment une maladie infectieuse peut-elle être comprise dans ce cadre-là ? ( protéines en trop ou malformées)

Quelle(s) caractéristiques des protéines déterminent leur (dys)fonctionnement biologique ? Indiquez ce que vous pensez au début du labo. Reprenez cette partie à la fin avec votre compréhension plus aboutie

Par quel mécanisme les molécules médicament interviennent-elles le plus souvent sur les protéines liées à la maladie ? Indiquez ce que vous pensez au début du labo. Reprenez cette partie à la fin avec votre compréhension plus aboutie

Un exemple : les antidouleurs Décrivez les voies de la douleur ?

Analysez cette Figure sur les circuits de la douleur pour mettre en évidence le rôle des prostaglandines

Figure 1 : La douleur : effet des prostaglandines (font partie des substances algogènes) Source Science et Vie (date à retrouver)

Explorer l'insertion de l'ibuprofen dans la protéine COX-1

Examiner l'insertion du modèle 3D de l'ibuprofen dans les deux moitiés de COX 1 : cf figure ci-contre.

Sinon examiner cette figure Proteine Cox1 à partir de 1eqg sur PDB avec Ibuprofen -coupee Avec quelle protéine l’ibuprofen1 interagit-il - et comment ?

A votre avis : dans quelle mesure l’ibuprofen est-il spécifique de cette protéine ?

Indiquez ce que vous pensez avant de lancer l’expérience. Etayez votre réponse après avoir obtenu les résultats de la simulation.

Contre quelles protéines SwissTarget confronte-t-il la molécule testée ?

Indiquez ce que vous pensez avant de lancer l’expérience. Etayez votre réponse après avoir obtenu les résultats de la simulation.

Identifiez la protéine cible qu'on cherche à bloquer et quelques antidouleurs ?

C) La protéine cible dans un contexte d'innombrables autres molécules

Principe pédagogique : Exploiter une plateforme (SwissTarget Prediction) indiquant la spécificité d'une molécule (médicament ou substance possiblement active dans le corps) comme moyen de prendre conscience des innombrables interactions moléculaires de la plupart des molécules que nous absorbrons.

On choisit une molécule (p.Ex aspirine, ibuprofen, Bisphénol, THC, … ) on l'introduit dans SwissTarget Prediction qui fournit les protéines connues pour avoir le plus de probabilité d'interagir avec la molécule proposée.

Fiche technique Swisstarget Prediction "Prédiction des protéines ciblées par un médicament « http://education.expasy.org/bioinformatique/DrugDesign_complement.html SwissTargetPrediction

Pour utiliser SwissTarget prediction, il faut disposer du format 'informatisé' des molécules qu'on veut soumettre, format appelé 'SMILES' (Simplified molecular- input line- entry system)

Pour récupérer le format SMILES de votre molécule:

• Aller sur Wikipedia (en) Chercher le nom de la molécule en anglais (ex: ibuprofen)
• Récupérer l’ibuprofen en format SMILES: CC(C)Cc1ccc(cc1)[C@@H](C)C(=O)O
• Sur le site http://www.swisstargetprediction.ch: Coller la molécule au format SMILES dans la box 'Paste a SMILES in this box'.
• Le dessin de la molécule s'affiche
• Cliquer sur 'Submit' (Predict the target)

L’interaction de l’ibuprofen ou de molécules similaires à l’ibuprofène avec les protéines présentes dans la liste a été démontrée expérimentalement. En effet l’ibuprofen est une molécule très célèbre, dont l’interaction avec beaucoup de protéines différentes a été testée.

Résultat sous Similarity 2D: la liste de molécules qui ont une similarité avec l’ibuprofen en 2D et qui sont bioactives

6649 molécules ont été testées comme ayant une activité ( ‘bioactives’ ) avec PTGS1/COX1..... 1673 ont une activité inhibitrice...

6649 molécules ont été testées comme ayant une activité ( ‘bioactives’ ) avec PTGS1/COX1.....

https://www.ebi.ac.uk/chembl/target/inspect/CHEMBL221

1673 ont une activité inhibitrice... https://www.ebi.ac.uk/chembl/target/inspect/CHEMBL221

NB : SwissTarget est un outil de prédiction qui a un certain domaine de validité (= dans le cadre de la conception de molécule médicament). Selon les molécules testées, les résultats obtenus n'auront aucun sens : Le programme trouvera de toute façon une molécule similaire à la molécule ‘query’ et donc une protéine potentiellement ciblée mais qui pourrait être non pertinente.

D Comment peut-ont aider les élèves à explorer les effets de la spécificité / les effets secondaires.

Répertoire de questions pour guider un TP de biologie

Essayez de déterminer les cibles possibles de diverses molécules : Bisphénol, THC, etc

Indiquez dans un tableau N° 2 pour chacune a) le nom et b) les 3 premières cibles avec si possible c) les effets possibles si la molécule agit sur cette protéine (blocage ou activation ?)

Résultats et observations: Analysez votre tableau 2 pour déterminer quelles molécules vous paraissent meilleures comme médicament contre la douleur - de quel-s points de vue ?

Résumez la nature des interactions que vous avez pu déterminer entre la molécule médicament et la cible (antidouleur) ?

Essayez d'imaginer ce qu'une affinité (docking) faible de la molécule-médicament peut impliquer comme effets pour le patient ?

Résumez sur la base de quoi repose la spécificité entre la molécule médicament et la cible (antidouleur)?

Indiquez quelques (3) effets possibles de l'aspirine en examinant ses interactions avec des protéines importantes du fonctionnement du corps humain.

Essayez d'imaginer ce qu'une spécificité faible de la molécule-médicament peut impliquer comme effets pour le patient ?

L’origine de l’aspirine est un extrait d'écorce du saule (ac. salycilique) qui est peu absorbé; dans la mesure où son action est équivalente à l’aspirine (ac. acétylsalycilique), discuter les différences d’effet entre l'aspirine et l'antalgique «naturel » proposé par les tenants de l'alimentation naturelle et la naturopathie ?

Essayez d'imaginer comment les effets d'une molécule comme le BisphénolA peuvent être prédits (si et dans quelle mesure?)

Idem pour le THC (dans le cannabis) et la nicotine, d'autres drogues  ?

D'autres molécules provenant de l'environnement et actives sur les protéines testées ici pourraient-elles pénétrer dans l'organisme ? Est-ce rare ?

Comment feriez-vous pour établir la toxicité ou l'innocuité d'une molécule ?

Donnez un ou deux exemples possibles en étayant votre propos sur la base des outils présentés dans le TP

A votre avis les molécules médicament sont-elles seules à avoir des effets toxiques ou non désirés ou le molécules naturelles le sont-elles aussi  ?

Donnez un ou deux exemples possibles en étayant votre propos sur la base des outils présentés dans le TP

Analyses et conclusions

Synthétisez ce que vous avez compris sur la spécificité des interactions entre les molécules de l'environnement (médicament compris) et protéines. Donnez un ou deux exemples possibles en étayant votre propos sur la base des outils présentés dans le TP

Peut-on considérer la maladie comme un phénotype ? Donnez un ou deux exemples possibles en étayant votre propos sur la base des outils présentés dans le TP

Y a-t-il des maladies qui ont un avantage sélectif (partiel) ? Cf Notamment L'idée qu'un gène soit bon ou mauvais est ... inadaptée ?

Résumez ce que vous comprenez sur l'équilibre entre la toxicité et l'efficacité thérapeutique d'un médicament.

Résumez ce que vous comprenez sur le principe actuel de conception des médicaments en termes de perturbation de protéine et de symptôme, d'interactions avec la molécule- médicament de spécificité de cette interaction

Résumez ce que vous comprenez sur la difficulté à établir la toxicité ou l'innocuité d'une molécule ?

Résumez ce que vous comprenez sur la complexité des interactions entre les molécules qui pénètrent notre organisme et les protéines qui réalisent les fonctions de la vie.

Que pensez-vous de la différence entre les médicaments naturels et "chimiques" ?

Donnez un ou deux exemples en étayant votre propos sur la base des outils présentés dans le TP

Cette activité repose sur le présupposé que la maladie résulte de l'excès, du manque ou d'une protéine dysfonctionnelle. Qu’en pensez-vous ? Reprenez ce que vous pensiez au début du labo. Comparez avec votre compréhension à la fin.

La maladie résulte-t-elle toujours d’une seule protéine (dys- excès- manque de) ? Y a-t-il d’autres approches thérapeutiques que celle discutée ici ?

Le rôle manifestement important que joue le mental sur la guérison est-il incompatible avec cette approche ?

D) Quelques concepts implicites ou qui pourraient poser problèmes aux élèves

Chacun jugera de l’opportunité d’aider les élèves en les mettant en évidence à l’avance ou durant l’activité. En leur disant ou en leur faisant découvrir selon son public ou ses choix pédagogiques

• La maladie est ici conceptualisée comme un dérèglement des processus physiologiques (La maladie est parfois perçue comme un mal (immatériel, moral voire divin) qui ne se réduirait pas à des molécules ou à un dérèglement des processus physiologiques.
• La maladie est ici conceptualisée comme un excès, ou un dysfonctionnement de protéine (voire un manque mais pas discuté ici). D’une protéine souvent.
• L’antalgie est ici conceptualisée comme bloquer la COX1 ou 2
• Le rôle central des protéines dans la physiologie et donc les effets de leur dysfonctionnement / surabondance / manque comme cause de la maladie
• La représentation préparant le docking des molécules dans le modèle ball-and- stick qui pourrait être moins facile que space-filling pour permettre aux élèves de visualiser les interactions drug/protéine clé-serrure
• L’affinité des molécules et protéines (forme mais aussi polarité etc.) mesurée par le docking dans SwissTarget prediction version pédagogique restreinte au site actif reconnu pour la COX1/2.
• L’affinité (docking) dans l’interaction drug / protéine implicitement équivalente au blocage de la protéine.
• La variabilité des spécificités molécules / protéines en termes d’affinité (docking).
• Les liens entre spécificité et effets secondaires.
• Les effets secondaires estimés par les autres protéines avec lesquelles la drug interagit .
• La toxicité est ici estimée à partir des autres protéines avec lesquelles la drug interagit.
• La « spécificité » d’une molécule est mesurée dans SwissTarget par l’étendue des protéines – connues comme cibles pharmacologiques possibles (300'000) – avec lesquelles elle interagit. Conceptions obstacle
• L’effet d’une protéine serait déterminé par son but (finalisme) « la protéine veut / doit faire moins mal » « Les cellules cancéreuses mutent la P53 pour échapper à l’apoptose» ...
• La protéine chercherait sa cible ou la molécule drug viserait sa cible. (finalisme)
• Une molécule issue de plantes trouvées dans la nature aurait des effets plus favorables que les effets d’une molécule issue de l’industrie chimique (essentialisme)

Ressources pour approfondir

• https://tecfa.unige.ch/perso/lombardf/formcont/ptit-molec-prot/

Références

Scénario établi sur la base des indications scientifiques de M.-C. Blatter du SIB (voir http://education.expasy.org/bioinformatique/Atelier2.html)

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