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Pourquoi les protéines membranaires sont-elles importantes pour le développement de médicaments ?
Les protéines membranaires représentent environ 20% du protéome humain et jouent un rôle crucial dans des fonctions biologiques telles que la ligature, la reconnaissance, le transport, l'ancrage et la transduction des protéines. Les mutations dans le repliement ou l'assemblage des protéines sont des causes majeures de maladies humaines, notamment de cancers et de maladies cardiovasculaires [1]. Les protéines membranaires représentent environ 60 % des cibles actuelles des médicaments, et la recherche pharmaceutique et biologique leur porte une attention constante. Par conséquent, le développement de médicaments ciblant les protéines membranaires présente une valeur thérapeutique significative pour un large éventail de maladies.
Quelle est la situation actuelle des anticorps ciblant les protéines membranaires ?
En juin 2022, 162 anticorps ont été approuvés par au moins un organisme de réglementation dans le monde pour une grande variété de maladies immunitaires, de cancers, de maladies infectieuses et hématologiques [2]. Plus de la moitié de ces anticorps ciblent des protéines membranaires, principalement dotées de grands domaines extracellulaires et de simples domaines transmembranaires, telles que les protéines tyrosine kinase réceptrices. Cependant, seulement deux de ces anticorps ciblent des protéines transmembranaires complexes telles que les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) [3].
Quelles sont les protéines membranaires cibles établies et émergentes pour les immunothérapies ?
Les cibles d'anticorps établies comprennent les protéines transmembranaires EGFR, VEGFR2, FGFR2, HER2 et les protéines membranaires complexes CCR4 et CGRPR. Des anticorps monoclonaux et bispécifiques ciblant des protéines membranaires complexes telles que GPRC5D, les claudines (claudine-6 et claudine-18), SSTR2 et CXCR4 ont donné de bons résultats dans la thérapie cellulaire CAR-T aux stades précliniques et cliniques.
Quelles sont les principales difficultés associées à l'expression de protéines membranaires complexes et quelles sont les solutions ?
Les protéines membranaires complexes sont des cibles importantes pour les immunothérapies, mais elles sont encore sous-utilisées en raison des difficultés de production. Trois défis majeurs limitent leur utilisation dans le développement de médicaments et la recherche expérimentale :
1) faible expression ;
2) purification instable ;
3) difficulté à maintenir la conformation naturelle.
Les protéines membranaires sont naturellement peu abondantes et leur surexpression recombinante se traduit souvent par une agrégation et un faible rendement qui sont corrélés à une faible fonctionnalité. Lorsqu'elles sont séparées de leur environnement phospholipidique, les protéines membranaires peuvent devenir insolubles et présenter une perte d'activité ou de fonction [4]. Leur faible solubilité dans l'eau les rend également difficiles à utiliser pour des applications in vivo, car les protéines sécrétées doivent se trouver dans des environnements aqueux pour pouvoir être diffusées ou circuler. La purification est difficile en raison de la faible abondance des protéines membranaires, et des détergents sont généralement nécessaires pour les stabiliser dans des environnements aqueux. En outre, un anticorps doit reconnaître l'épitope spécifique d'une protéine membranaire pour une liaison ciblée et optimale. Les protéines membranaires étant complexes et pouvant présenter de multiples états conformationnels, leur expression sous la forme appropriée est cruciale pour l'affinité de liaison entre l'anticorps et l'antigène [3].
Pour faire face à ces difficultés, diverses stratégies ont été mises au point, notamment l'utilisation de détergents, de polymères, de ligands ou de lipides pour améliorer la stabilité et l'extraction des protéines [4]. Le choix du détergent est important et nécessite généralement une série de tests ; certains détergents puissants sont très efficaces pour isoler la protéine au détriment de la stabilité et de la perte d'épitopes conformationnels [5]. Cependant, les protéines peuvent être difficiles à détecter si les anticorps sont incapables de reconnaître les épitopes. L'inclusion d'étiquettes épitopiques peut accroître la détectabilité des protéines, mais elles peuvent potentiellement perturber le repliement et la fonction de celles-ci [4].
Quelles techniques peuvent être utilisées pour exprimer ces protéines transmembranaires difficiles à produire ?
Traditionnellement, l'expression des protéines membranaires consiste en une expression recombinante suivie d'une isolation à l'aide de détergents. L'utilisation de détergents est une solution pour purifier les protéines membranaires. Les détergents sont des molécules amphiphiles avec des têtes hydrophiles et des queues hydrophobes qui s'agrègent et forment des micelles pouvant extraire de la membrane en piégeant des molécules hydrophobes (figure 1a).
La technique du nanodisque est une autre option : elle tire parti du fait que les protéines transmembranaires conservent leurs caractéristiques lorsqu'elles sont liées à des phospholipides. L'encapsulation de la protéine membranaire dans des nanodisques par des protéines d'échafaudage membranaire (MSP) nécessite une solubilisation préalable à l'aide de détergents [4] (figure 1b). Grâce au copolymère de styrène-acide maléique (SMA), les protéines membranaires peuvent être extraites directement des systèmes d'expression procaryotes et eucaryotes sans recourir à des détergents, tout en préservant la structure et la fonction des protéines (figure 1c). Similaires aux nanodisques MSP, les nanodisques SMA ont également l'avantage de préserver la nature des protéines en conservant les lipides natifs environnants sans introduire de protéines hétérologues. Cela permet d'étudier la structure et la fonction des protéines dans des environnements natifs [4].
Une troisième option consiste à utiliser des particules de type viral (VLP), qui sont des nano-particules formées par l'auto-assemblage de protéines de capside virale dont le diamètre est généralement compris entre 100 et 300 nm. Les VLP sont dépourvues de matériel génétique viral et ne peuvent pas se répliquer de manière autonome. Mais elles conservent la capacité de pénétrer dans les cellules et sont capables d'afficher à leur surfaces des protéines membranaires dans leur conformation naturelle et stable (figure 1d). Ainsi, elles conviennent à une grande variété d'applications [6].
Quelles sont les ressources de Sino Biological pour le développement des protéines membranaires ?
Sino Biological est une société leader dans la fabrication de protéines transmembranaires multi-passages de haute qualité. Nos trois plateformes d'expression en système HEK293 : (VLP, micelles détergentes et nanodisques SMA) génèrent des matières premières de qualité premium pour la la R&D de médicaments. Un certain nombre de protéines transmembranaires multi-passages (par exemple, 4 passages : claudine-6, claudine-9, claudine-18.1 et claudine-18.2 ; 7 passages : GPRC5D, CXCR4 et SSTR2) sont déjà disponibles en stock au catalogue. Sino Biological offre également des services à façon pour les protéines transmembranaires multi-passages en mettant à disposition ses 3 plateformes. Le processus comprend les étapes suivantes : 1) synthèse des gènes et optimisation des codons ; 2) construction des vecteurs ; 3) expression et purification des protéines à l'échelle pilote avec la plateforme sélectionnée ; 4) expression et purification à grande échelle.
Chaque plateforme de protéines transmembranaires présente des caractéristiques uniques. Les avantages des VLP, micelles détergentes et nanodisques SMA sont résumés dans le tableau 1.
Références :
[1] DOI : 10.1093/bib/bbaa132
[2] DOI : 10.1093/abt/tbac021
[3] DOI : 10.1016/j.eng.2020.11.013
[4] DOI : 10.1007/s40259-018-0289-y
[5] DOI : 10.1038/s41598-020-73285-9
[6] DOI : 10.1186/s12951-021-00806-7
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