Avancées en ingénierie des protéines

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La capacité de concevoir des protéines est un élément fondamental du processus de R&D pour plusieurs industries - de la fabrication d'enzymes à la conception de la prochaine génération de thérapies. Le concept d'ingénierie d'une protéine pour introduire de nouvelles propriétés ou optimiser la fonction n'est pas nouveau, mais une nouvelle boîte à outils sophistiquée émerge rapidement. Dans cet article, nous examinons deux des domaines les plus en vogue de l'ingénierie des protéines pour des applications thérapeutiques et comment l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle (IA) sont sur le point de transformer ce domaine.

Les protéines représentent un vaste domaine de l'espace thérapeutique - des enzymes cibles telles que les kinases, les phosphatases et les protéases, jusqu'aux versions modifiées de protéines humaines naturelles utilisées comme anticoagulants thérapeutiques, hormones et facteurs de croissance. Mais peut-être que le groupe de médicaments protéiques le plus excitant et le plus rapide est celui des anticorps. Le domaine thérapeutique des anticorps s'est rapidement développé depuis les premiers jours des anticorps monoclonaux vers un domaine qui englobe de nombreux dérivés modifiés différents. Aujourd'hui, les anticorps sont intégrés dans une gamme de différentes nouvelles classes de médicaments, des conjugués anticorps-médicament, où l'anticorps délivre une charge utile de médicament à un site cible, aux anticorps multivalents qui se lient simultanément à différents antigènes.

Le Dr Zhiquiang An est directeur du Texas Therapeutics Institute du Centre des sciences de la santé de l'Université du Texas à Houston et se spécialise dans la conception d'anticorps pour une gamme d'indications thérapeutiques. Pendant la pandémie de COVID-19, son laboratoire s'est rapidement mobilisé pour produire un spray nasal d'anticorps IgM neutralisant qui offrait une protection puissante et large contre le SRAS-CoV-2.1 Ceci a été réalisé en concevant un anticorps IgG parental contre le virus, qui avait 2 sites de liaison, à une version IgM qui avait 10 sites de liaison, ce qui le rend 230 fois plus puissant. Aujourd'hui, en plus de travailler sur la prochaine génération d'anticorps pour le COVID-19 et les futures pandémies, son équipe est à la pointe de la conception d'anticorps pour d'autres indications telles que les maladies neurodégénératives et le cancer.

"L'un de nos domaines prioritaires est de concevoir des anticorps capables de traverser la barrière hémato-encéphalique, afin qu'ils puissent atteindre une cible du SNC telle qu'une tumeur au cerveau ou la maladie d'Alzheimer (MA)", explique An. "Notre autre objectif est d'augmenter la valence des anticorps, afin que nous puissions atteindre une plus grande puissance."

Dans une étude récente, l'équipe d'An a combiné ces deux approches pour concevoir un médicament à base d'anticorps pour la MA.2 Ils ont conçu un anticorps qui cible TREM2 (récepteur déclencheur sur les cellules myéloïdes 2), un récepteur qui dirige la microglie pour avaler les plaques amyloïdes. En concevant un anticorps IgG1 bivalent contre un anticorps à domaine tétra-variable, ils ont amélioré la puissance. Ensuite, ils ont conçu un anticorps bispécifique ciblant à la fois TREM2 et le récepteur de la transferrine pour améliorer l'entrée dans le cerveau.

"Le récepteur de la transferrine est responsable de la navette du fer ferrique de la circulation vers le cerveau, et il est très efficace", a expliqué An. "Lorsqu'un anticorps se lie au récepteur de la transferrine, le récepteur peut faire basculer l'anticorps à travers la barrière hémato-encéphalique." Le concept de transport de la transferrine n'est pas nouveau - mais lorsque An a combiné cette technologie avec l'anticorps TREM2 de l'équipe, ils ont multiplié par 100 la puissance de l'anticorps et sa capacité à atteindre sa cible dans le cerveau par 10. L'anticorps bispécifique est maintenant en développement préclinique.

Le laboratoire d'An s'intéresse également à la conception de nanocorps - des anticorps qui ont une chaîne lourde et pas de chaîne légère. "Parce que les anticorps sont de grosses molécules avec une faible pénétration dans les tissus, nous étudions la possibilité de concevoir des nanocorps dérivés de chameaux et de certaines autres espèces animales qui ont un site de liaison plus petit", explique An. "Ceux-ci sont intéressants pour cibler des protéines membranaires complexes - telles que les GPCR et les transporteurs - qui sont difficiles à traiter avec des molécules plus grosses."

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Un autre sujet brûlant dans l'ingénierie des protéines est la manipulation des modifications post-traductionnelles des protéines. "Traditionnellement, l'ingénierie des protéines s'est concentrée sur la mutagenèse dirigée de la séquence d'acides aminés d'une protéine", déclare le professeur Matthew DeLisa, professeur d'ingénierie William L. Lewis et directeur du Cornell Institute of Biotechnology, "mais presque toutes les protéines sont modifiées après la traduction d'une manière ou d'une autre, et c'est donc devenu une partie importante de la conception et de l'ingénierie des protéines".

L'une des modifications les plus abondantes est la glycosylation, l'ajout d'un groupe glycane au squelette protéique. Un glycane est un glucide complexe comprenant un ou plusieurs monosaccharides qui sont assemblés de manière covalente en structures uniques. Les glycanes jouent un rôle important dans le repliement, la stabilité, l'interaction et l'activité biologique des protéines, ce qui rend la capacité de concevoir des propriétés médiées par les glycanes hautement souhaitable.

Il existe deux approches principales de l'ingénierie des glycanes : l'introduction d'un nouveau glycane ou la modification d'un glycane existant. "Dans le premier scénario, vous modifiez en fait la séquence de la protéine en introduisant de nouveaux motifs d'acides aminés qui fournissent un signal à des enzymes de glycosylation spécifiques pour ajouter un groupe glycane à ces motifs particuliers", explique DeLisa. "Dans la deuxième approche, vous remodelez une structure de glycane naturelle en concevant les voies de biosynthèse qui produisent le glycane."

Encore une fois, l'une des principales applications de ces méthodes à l'heure actuelle est le développement d'anticorps. En effet, la glycosylation du domaine Fc des anticorps est essentielle pour leur capacité à interagir avec les effecteurs en aval.

Le premier anticorps à être produit avec un glycane modifié était l'obinutuzumab (Gazyvaro), qui est approuvé pour le traitement de la leucémie lymphoïde chronique et du lymphome folliculaire. Cet anticorps a été produit en modifiant la voie de biosynthèse des glycanes : les cellules dans lesquelles l'anticorps est produit sont modifiées pour surexprimer deux enzymes de glycosylation, MGAT3 et la mannosidase de Golgi. Ces enzymes surexprimées réduisent la quantité de fucose attachée à l'anticorps, augmentant sa capacité à activer les cellules tueuses naturelles.3

"En manipulant ou en modifiant la glycosylation qui se produit dans le domaine Fc, vous pouvez avoir des effets profonds sur la structure et la fonction des anticorps", explique DeLisa. "Cela vous permet de créer des anticorps avec des propriétés personnalisées telles qu'être hautement pro- ou anti-inflammatoires."

Bien que la technologie de production de thérapies à base de protéines telles que les anticorps s'améliore, elle implique toujours des flux de travail expérimentaux chronophages. Mais l'IA pourrait bientôt accélérer ce processus, déclare An : "Des programmes basés sur l'IA comme AlphaFold sont déjà utilisés pour concevoir des anticorps plus spécifiques et plus puissants. À l'avenir, ceux-ci nous permettront de concevoir des anticorps avec une meilleure efficacité basée sur la structure de l'antigène."

C'est une approche qui change déjà la façon dont l'ingénierie des protéines est effectuée, selon DeLisa : « Nous pouvons maintenant facilement obtenir des prédictions raisonnablement bonnes de la structure tridimensionnelle des protéines à partir d'un ordinateur, sans cristallographie aux rayons X. De telles prédictions peuvent être utilisées pour guider des campagnes d'ingénierie rationnelles qui cherchent à améliorer une propriété particulière d'une protéine, comme la façon dont un anticorps se lie étroitement à un antigène cible. Cette approche sera particulièrement précieuse pour certaines sous-classes de protéines comme les protéines membranaires, pour lesquelles il existe très peu de structures cristallines.

Des outils informatiques commencent également à être utilisés pour créer des protéines thérapeutiques à partir de rien. "Cette approche pourrait être utilisée pour créer des enzymes ou des anticorps de créateurs qui n'existent pas actuellement parmi la vaste collection d'enzymes de la nature", explique DeLisa, "cela signifie que vous pouvez proposer des solutions entièrement nouvelles liant une cible pathogène ou réalisant une activité enzymatique, sans être contraint par la façon dont la nature a résolu ces problèmes".

Une fois qu'un anticorps ou une protéine est conçu, il peut être synthétisé en laboratoire et testé pour ses propriétés souhaitées. Même si toutes les conceptions ne fonctionnent pas, l'outil s'améliore en matière de conception en apprenant de ses succès et de ses échecs, grâce à un processus itératif.

"Ces outils vont jouer un rôle énorme dans la prochaine décennie et au-delà, dans leur capacité à nous aider à concevoir de meilleurs médicaments à base de protéines, ou des médicaments entièrement nouveaux à partir de zéro", déclare DeLisa. "Mais je ne vois pas cela comme limité à la thérapeutique, ces outils vont transformer de nombreux domaines - des puissants catalyseurs enzymatiques qui permettent la production d'énergie propre et de matériaux biosourcés aux protéines d'origine durable qui aident à répondre aux besoins alimentaires mondiaux."

Les références

1. Ku Z, Xie X, Hinton PR, et al. L'administration nasale d'une IgM offre une large protection contre les variantes du SRAS-CoV-2. Nature. 2021;595(7869):718-723. doi:10.1038/s41586-021-03673-2

2. Zhao P, Xu Y, Jiang L, et al. Un anticorps tétravalent agoniste de TREM2 a réduit la pathologie amyloïde dans un modèle murin de la maladie d'Alzheimer. Sci Transl Med. 2022;14(661):eabq0095. doi:10.1126/scitranslmed.abq0095

3. Umaña P, Jean-Mairet J, Moudry R, ​​Amstutz H, Bailey JE. Glycoformes modifiées d'une IgG1 antineuroblastome avec une activité cytotoxique cellulaire dépendante des anticorps optimisée. Nat Biotechnol. 1999;17(2):176-180. doi:10.1038/6179