L’intelligence artificielle facilite l’évaluation de la toxicité des substances chimiques : le cas du bisphénol S.

COMMUNIQUÉ | 17 AVRIL 2019 - 15H00 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

PHYSIOPATHOLOGIE, MÉTABOLISME, NUTRITION | SANTÉ PUBLIQUE

Un nouvel outil informatique fondé sur les méthodes de l’intelligence artificielle a permis d’identifier des effets toxiques du bisphénol S, substitut fréquent du bisphénol A dans les contenants alimentaires, à partir de données déjà publiées. Plus largement, cet outil développé par des chercheurs de l’Inserm menés par Karine Audouze, au sein de l’unité 1124 « Toxicité Environnementale, Cibles Thérapeutiques, Signalisation Cellulaire et Biomarqueurs »(Inserm/Université de Paris), permettra de révéler des effets toxiques de n’importe quelle substance chimique (ou d’un agent physique) sous réserve qu’elle ait fait l’objet d’études publiées ou soit présente dans des bases de données. Les étapes de développement et d’utilisation de cet outil sont décrites dans Environmental Health Perspectives.

L’intelligence artificielle permet désormais d’analyser de manière conjointe les bases de données et la littérature scientifique pour évaluer la toxicité d’une molécule chez l’homme. Cette « méta-analyse in-silico » est devenue possible grâce à un programme informatique conçu par Karine Audouze et ses collègues de l’unité Inserm UMR-S1124 (Toxicité Environnementale, Cibles Thérapeutiques, Signalisation Cellulaire et Biomarqueurs). Il a été validé par la recherche de toxicité du bisphénol S, un substitut fréquent du bisphénol A qui est un perturbateur endocrinien déjà interdit dans les contenants alimentaires.

En pratique, les chercheurs ont intégré plusieurs types de données biologiques et chimiques dans leur programme informatique dont les 2000 termes référencés dans la base AOP-wiki (AOP pour Adverse Outcome Pathways). « Cette base est composée des descriptions précises de toutes les étapes biologiques (molécules, voies de signalisation) menant d’une perturbation moléculaire à un effet pathologique comme l’obésité, la stéatose, le cancer, etc. Elle s’enrichit régulièrement avec de nouveaux processus de toxicité », précise Karine Audouze. Parallèlement, le bisphénol S ayant servi à tester ce programme, les auteurs ont intégré toutes les appellations et synonymes de ce constituant retrouvés dans la littérature scientifique. Ainsi équipé, le programme a scanné les résumés d’articles scientifiques soumis par les auteurs, à la recherche de ces termes pré-enregistrés. « L’objectif était d’établir des liens entre les termes représentant la substance chimique et ceux correspondant aux processus pathologiques », clarifie Karine Audouze. Pour cela, les chercheurs ont appris à leur système à lire intelligemment. Ainsi, le programme accorde plus de poids à des termes retrouvés côte à côte plutôt qu’éloignés, à ceux qui sont placés en fin de résumé dans les résultats et les conclusions plutôt qu’en début au stade de l’hypothèse, et enfin, en quantifiant les mots repérés. « Au-delà d’une lecture rapide, le système permet une véritable analyse de texte automatisée ».

L’analyse a finalement révélé une corrélation entre le bisphénol S et le risque d’obésité qui a ensuite été vérifiée manuellement par les auteurs. Puis, pour augmenter encore les performances de leur outil, les auteurs ont également intégré les données biologiques issues de la base américaine ToxCast qui référence les effets de nombreux agents chimiques et physiques sur différents types cellulaires grâce à des analyses robotisées. « Cette stratégie permet ainsi de suggérer des mécanismes associés à la toxicité découverte par le programme », explique Karine Audouze Les chercheurs ont ainsi constaté que le bisphénol S favorisait la formation d’adipocytes.

« Cet outil informatique peut être utilisé pour établir un bilan rapide des effets d’un agent chimique, ce qui est souhaitable s’il s’agit d’un substitut proposé pour une substance existante. Il n’apporte pas, en tant que tel, de preuve de toxicité, mais sert à intégrer rapidement un grand nombre d’informations et à hiérarchiser les effets néfastes les plus probables, permettant ainsi de concevoir les études biologiques et épidémiologiques les plus pertinentes », illustre Karine Audouze.

Cet outil est désormais libre d’accès sur la plateforme GitHub. Tout chercheur désireux de tester la toxicité d’un agent peut l’utiliser en développant un dictionnaire propre à cet agent.
Ce projet a été financé par le programme de recherche européen sur la biosurveillance humaine, HBM4EU (https://www.hbm4eu.eu).

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Dupont innove avec des modèles d’étude alternatifs

PUBLIÉ LE : 09/05/2022

TEMPS DE LECTURE : 4 MIN

*         LAURÉATS ATIP-AVENIR
À Nantes, Jean–Baptiste Dupont développe des modèles in vitro de muscles humains, à partir de cellules de patients atteints de myopathie de Duchenne. Le chercheur a deux objectifs : améliorer l’étude de cette maladie musculaire héréditaire, et tester des thérapies géniques en développement, le tout grâce à des organoïdes qui permettront de réaliser des observations plus fiables que celles issues de l’utilisation des modèles animaux actuellement disponibles.

Jean–Baptiste Dupont
Jean-Baptiste Dupont est en train d’ouvrir une voie essentielle pour la mise au point de traitements efficaces contre des maladies musculaires. Responsable de l’équipe Next generation disease models au sein l’unité de recherche nantaise Thérapie génique translationnelle des maladies génétiques*, ce jeune chercheur Inserm pourrait avoir trouvé une solution au manque de fiabilité des modèles actuellement utilisés pour étudier les maladies génétiques du muscle et développer des traitements pour les soigner. Certes, la thérapie génique commence à apporter les preuves de son efficacité dans un certain nombre d’indications et reste un espoir majeur pour les personnes atteintes de maladies comme la myopathie de Duchenne. Mais la recherche se heurte à un obstacle important : « Les modèles animaux auxquels nous avons recourt ne reproduisent pas suffisamment bien la pathologie humaine. En particulier, ils ne permettent pas de statuer avec certitude sur l’efficacité des thérapies chez les patients », explique Jean-Baptiste Dupont.
Le chercheur a donc décidé de miser sur une approche différente. Il veut développer de nouveaux modèles in vitro, fondés sur l’utilisation de cellules humaines. Pour cela, il a monté sa propre équipe : un financement Atip-Avenir obtenu fin 2020 lui a notamment permis de recruter un ingénieur, deux étudiants en master 2 et un bioinformaticien à mi-temps. Concrètement, l’équipe cherche maintenant à reconstituer du tissu musculaire à partir de « cellules souches pluripotentes induites » (cellules iPS) issues de patients. Ce travail consiste à prélever des cellules à des malades volontaires, à partir de leur peau ou même dans un échantillon d’urine, à les reprogrammer génétiquement en cellules susceptibles de donner tous types de cellules de l’organisme, dites « pluripotentes », puis à induire leur différenciation en cellules musculaires.

 Pour en savoir plus sur les cellules iPS, consulter notre dossier dédié
« En culture 2D standard, nous obtenons des fibres musculaires capables de contractions. Mais nous devons aller plus loin car ces fibres sont mal organisées et les cellules qui les constituent sont insuffisamment matures. Pour reproduire un tissu fonctionnel identique à celui de patients, nous développons un protocole de culture dans un gel, en 3D », poursuit Jean-Baptiste Dupont. À terme, en poussant le plus loin possible le développement cellulaire au sein de ces cultures, il espère obtenir de véritables organoïdes, des mini-muscles conçus in vitro qui reproduiraient fidèlement la structure et le fonctionnement d’un muscle humain.

Un potentiel formidable
Ces modèles permettront plusieurs avancées, et en premier lieu de mieux comprendre la physiopathologie des maladies musculaires. « Actuellement, nous séquençons les ARN produits au cœur des cellules musculaires malades. Nous collaborons avec une start-up qui utilise des outils bioinformatiques très sophistiqués pour analyser ces données et nous indiquer les réseaux de gènes dérégulés. Nous devrions en apprendre beaucoup sur les mécanismes moléculaires de la myopathie de Duchenne », illustre le chercheur. Ces modèles serviront également à tester l’efficacité de thérapies géniques et d’autres traitements. Ils permettront d’observer précisément les corrections moléculaires que ces approches produisent.
Les cellules iPS utilisées par l’équipe proviennent de lignées issues de patients atteints de myopathie de Duchenne, générées à Seattle où le chercheur a réalisé son premier post-doctorat. Les mutations qu’elles portent et le profil clinique des malades sont bien caractérisés, ce qui facilite l’interprétation des résultats. Jean-Baptiste Dupont souhaite par la suite développer des modèles équivalents pour étudier d’autres types de maladies musculaires : la sarcopénie, qui correspond à une fonte musculaire liée à l’âge, ou la cachexie, une dégénérescence musculaire liée à certaines maladies chroniques, notamment le cancer.

Un parcours sans faute
L’intérêt du chercheur pour ce domaine n’est pas neuf et s’est construit au fil de son parcours : il a préparé une thèse qui portait sur la thérapie génique à Nantes, puis il a réalisé deux stages post-doctoraux sur les cellules iPS, le premier à l’Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine de l’université de Washington à Seattle, et le second à l’Institut des cellules souches pour le traitement et l’étude des maladies monogéniques (I‑Stem, unité Inserm 861) à Evry. De quoi apporter de nouvelles compétences à Nantes où il est finalement revenu ! Son équipe bénéficie d’une visibilité financière de trois ans, mais soucieux d’aller loin, il est déjà reparti à la recherche de budgets supplémentaires en répondant à différents appels d’offres.

Note :
*unité 1089 Inserm/Nantes Université, Thérapie génique translationnelle des maladies génétiques

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Pathologie tau dans la maladie d'Alzheimer : une nouvelle cible


Des chercheurs de l'Université Paris-Est Créteil et du CEA-Jacob décrivent, dans un nouveau modèle cellulaire, le déclenchement autonome de l'agrégation anormale de la protéine tau, suite à l'expression de l'enzyme sulfo-transférase HS3ST2, protéine impliquée dans la synthèse des héparanes sulfates.

Publié le 16 novembre 2022
 
Les maladies neurodégénératives sont caractérisées par une détérioration progressive des neurones, entraînant un dysfonctionnement du système nerveux et une perte graduelle des capacités cognitives et/ou motrices. Elles conduisent de manière caractéristique à la formation de lésions cérébrales, qui se traduisent par l'accumulation d'agrégats protéiques intra ou extra-cellulaires, précédant la dégénérescence neuronale.
Les agrégats formés par la protéine tau sont communs à la maladie d'Alzheimer et à d'autres tauopathies (démence fronto-temporale, dégénération cortico-basale, maladie de Pick, etc.). En condition pathologique, des sites additionnels aux sites physiologiques sont phosphorylés et la fonction de la protéine s'en trouve modifiée. Cette hyperphosphorylation favorise son agrégation et la formation d'oligomères, puis d'agrégats plus structurés : les enchevêtrements neurofibrillaires.
Les héparanes sulfates (HS), polysaccharides présents physiologiquement dans les membranes cellulaires et dans la matrice extracellulaire, ont été retrouvés associés aux lésions amyloïdes et tau observées dans les neurones de patients atteints de la maladie d'Alzheimer. Des travaux antérieurs avaient montré dans des modèles cellulaires et animaux de tauopathies que des formes spécifiques d'héparanes sulfates, les 3-O-sulfatés (3S-HS) produits par l'enzyme 3-O-sulfotransférase 2 (HS3ST2), sont directement impliqués dans la phosphorylation anormale de la protéine tau.
Dans la continuité de ces travaux et afin de mieux comprendre l'implication des héparanes sulfates dans l'évolution de la tauopathie, des chercheurs de l'Université Paris-Est Créteil en collaboration avec le CEA-Jacob ont développé un nouveau modèle cellulaire d'étude des tauopathies qui met en œuvre une ingénierie génétique utilisant les plasmides réplicatifs pEBV.

Ils ont travaillé avec la lignée cellulaire HEK293 dans laquelle ils ont fait exprimer à long terme, à l'aide d'épisomes réplicatifs de type pEBV, la protéine tau, en combinaison ou non avec l'enzyme sulfotransférase HS3ST2.

Dans ce nouveau modèle, les chercheurs ont mis en évidence le déclenchement autonome de l'agrégation anormale de la protéine tau sauvage (non mutée).Ils montrent que les héparanes sulfates (3S-HS) produits suite à l'activité de sulfatation de HS3ST2 ne restent pas seulement au niveau des membranes cellulaires, ils sont également internalisés et se retrouvent ainsi en contact avec la protéine tau. L'interaction entre les 3S-HS et la protéine tau entraîne la phosphorylation anormale de la protéine tau et la production d'oligomères de tau.
Cette étude devrait faciliter l'évaluation de nouveaux outils pharmacologiques ciblant l'interaction des héparanes sulfates avec les agrégats de tau, pour le traitement des tauopathies.

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Le rythme des divisions cellulaires est couplé à celui de l’horloge biologique interne

PUBLIÉ LE : 15/07/2014

TEMPS DE LECTURE : 3 MIN
*         ACTUALITÉ
Les divisions de nos cellules suivent le rythme de notre horloge biologique : les tissus qui se renouvellent régulièrement comme la moelle osseuse, la muqueuse intestinale ou les cellules de la peau, le font donc de façon orchestrée, sur 24 heures. Découvrir les molécules et les mécanismes impliqués dans ce couplage pourrait permettre de ralentir la progression tumorale en cas de cancer.
Le rythme des divisions cellulaires est calé sur celui de l’horloge biologique qui régule l’activité de nombreuses fonctions biologiques et comportements sur 24 heures. Une équipe Inserm*, associée à deux autres équipes européennes, vient d’en apporter la preuve en étudiant des fibroblastes de souris, des cellules qui se renouvellent régulièrement dans l’organisme. « Ce couplage avait déjà été démontré chez des organismes unicellulaires, comme des cyanobactéries, mais pas encore chez les mammifères. Voilà qui est fait ! », se réjouit Franck Delaunay, co-auteur des travaux.
Pour parvenir à cette démonstration, les auteurs ont travaillé in vitro sur des fibroblastes « uniques », c’est-à-dire séparés les uns des autres. Grâce à des molécules fluorescentes, ils y ont suivi l’expression d’un gène de l’horloge biologique et de deux marqueurs de phases du cycle cellulaire. Cette technique leur a permis de visualiser conjointement l’activité oscillante de l’horloge biologique et l’avancée des divisions cellulaires. Et les résultats sont indiscutables : « les deux phénomène sont totalement couplés », indique Franck Delaunay. Mais la démonstration ne s’arrête pas là.

Un rythme synchronisé sur 24 heures
Chaque cellule d’un organisme possède une horloge biologique interne régulée par quelques gènes. Cette horloge est elle-même en permanence resynchronisée par une horloge centrale située au niveau du cerveau. La resynchronisation s’opère via des hormones et d’autres signaux. L’ensemble de ce système impose à l’organisme un rythme circadien, calé sur une période d’environ24 heures, qui régule le système veille/sommeil, la température corporelle, la pression artérielle, la production d’hormones, les capacités cognitives, l’humeur et bien d’autres fonctions ou comportements.
Les chercheurs ont donc poursuivi leur étude afin de savoir si le cycle cellulaire pouvait être influencé par la synchronisation imposée par l’horloge centrale. Pour cela, ils ont utilisé une hormone synthétique, la déxamethasone, qui mime l’effet d’une hormone naturelle en favorisant la synchronisation des horloges entre elles. « Le fait d’ajouter cette hormone a permis de replacer nos cellules isolées dans un contexte de resynchronisation tel qu’il se produit dans un organisme entier », explique le chercheur. Et là encore, les scientifiques ont observé un couplage entre le nouveau rythme biologique imposé aux cellules et leurs divisions : « Le régime du couplage a changé pour s’adapter au nouveau rythme biologique induit par l’hormone », précise Franck Delaunay.

Des applications possibles en cancérologie
« L’idée est maintenant de savoir si le couplage entre rythme biologique et cycle cellulaire est perturbé en cas de prolifération incontrôlée des cellules, en particulier en cas de cancer. Si la réponse est oui, agir sur cette dynamique pourrait permettre de restaurer un meilleur contrôle des divisions. Pour y parvenir, nous devons découvrir les supports moléculaires de ce couplage, puis identifier de potentielles cibles thérapeutiques », conclut le chercheur.

Note
*unité 1091 Inserm / CNRS / Université de Nice Sophia Antipolis, Institut de biologie Valrose, Nice

Source
C Feillet et coll. Phase locking and multiple oscillating attractors for the coupled mammalian clock and cell cycle. Proc Natl Acad Sci USA, édition en ligne du 23 juin 2014

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