Au cours de l’appel à candidatures 2023, un jury international hautement qualifié a sélectionné 10 projets dans les trois domaines:
- ARN : Mécanisme, médicament, cible
- Au-delà d'AlphaFold : Cibler les états dynamiques
- Génome 3D et 4D
La séparation de phase comme régulateur de l'épissage - un changement de paradigme pour l'interaction ARN-protéine?
Dr. Antje Wolter, Department of Biology, Institute of Biochemistry, ETH Zürich
https://bc.biol.ethz.ch/research/allain-group.html
Les Nuclear Speckles sont des organelles sans membrane qui se forment par séparation de phase liquide-liquide dans le noyau des cellules eucaryotes et qui jouent un rôle décisif dans le traitement du pré-ARNm. Bien que les spliceosomes soient souvent observés à proximité de ces speckles, le rôle exact des nuclear speckles dans la régulation de l'épissage n'est pas encore totalement compris.
Dans notre projet, nous testons un modèle récemment publié qui suggère que la surface des speckles nucléaires pourrait fournir une surface d'interaction bidimensionnelle où les sites d'épissage du pré-ARNm seraient exposés de telle sorte qu'ils pourraient être trouvés plus efficacement par les spliceosomes que cela ne serait possible dans l'espace tridimensionnel du nucléoplasme. Au lieu d'une interaction basée sur la diffusion, c'est l'exposition spatiale à une surface qui serait déterminante. Dans notre système simplifié, nous marquons de courtes séquences pré-ARNm et des protéines associées au Nuclear Speckle avec des marqueurs fluorescents et observons l'agencement spatial au sein des gouttes résultantes par microscopie à fluorescence à haute résolution.
Développement d'ARNm traduits de manière spécifique au type de cellule pour les thérapies à base de cellules CAR-T
Dr. Andreas Reichmuth, Institute of Pharmacology and Toxicology, University of Zurich
https://schwanklab.org/
L'immunothérapie est devenue un élément important du traitement du cancer. Une méthode très efficace est la thérapie par transfert de cellules immunitaires, qui consiste à modifier les cellules T d'un patient avec des récepteurs antigéniques chimériques (CAR) afin de reconnaître, d'attaquer et de détruire les cellules cancéreuses. Cette thérapie personnalisée s'est révélée très efficace dans le traitement de certains types de cancer du sang et a le potentiel de traiter également des tumeurs solides et diverses autres maladies. Cependant, le coût élevé de la production des cellules CAR-T et la complexité de la procédure de traitement, qui nécessite des centres spécialisés, rend l'accès à cette thérapie salvatrice difficile. De plus, l'intégration permanente des séquences CAR dans le génome conduit à des cellules CAR-T à longue durée de vie qui ne peuvent pas être facilement retirées de l'organisme, ce qui comporte des risques considérables dans le traitement des tumeurs solides. Nous utilisons la technologie ARNm pour transformer temporairement les cellules T en cellules anticancéreuses. À cette fin, nous développons une plate-forme de nanoparticules lipidiques qui délivre de l'ARNm de manière ciblée aux cellules T directement chez le patient. En fait, le patient devient le fabricant de sa propre thérapie de cellules CAR-T. Cette approche promet un large accès aux immunothérapies personnalisées avec de meilleurs profils de sécurité par rapport aux technologies existantes.
Administration focale non invasive d'ARN hyperconcentré
Prof. Dr. M. Fatih Yanik & Dr. Paul Johnson, Institute of Neuroinformatics, ETH
https://www.neurotechnology.ethz.ch
Le traitement des maladies neurologiques et psychiatriques pourrait être amélioré si l'ARN pouvait être introduit dans le cerveau de manière ciblée, non invasive et en forte concentration. Jusqu'à présent, les tentatives dans ce sens étaient inefficaces, non spécifiques à une région ou nécessitaient des mesures invasives. Dans ce projet, nous utilisons une technologie d'administration que nous avons développée et qui permet d'introduire de petites molécules de manière non invasive dans des régions du cerveau de l'ordre du millimètre cube, avec un enrichissement focal 1'300 fois supérieur à celui des niveaux systémiques. Pour ce faire, on injecte d'abord par voie intraveineuse des vecteurs de substances actives guidés par ultrasons (microbulles remplies de gaz et liées à des liposomes), qui circulent ensuite dans tout le corps. Nous positionnons ensuite un transducteur ultrasonique focalisé à l'endroit souhaité dans le cerveau et appliquons une séquence ultrasonique particulière qui agrège d'abord nos particules dans le champ ultrasonique et libère le principe actif, qui peut alors traverser une barrière hémato-encéphalique (BHE) intacte. Actuellement, nous pouvons introduire de petites molécules dans le cerveau. Nous adaptons maintenant cette technologie pour travailler avec des produits biologiques, en particulier avec des siRNA liés à un peptide traversant les cellules et traversant le BHE. De cette manière, nous voulons rendre possible le traitement des maladies cérébrales avec des agents à ARN.
Caractérisation de la traduction locale de l'ARNm à l'aide du marquage de proximité et du marquage métabolique
Dr. Srivathsan Adivarahan, Department of Biosystems Science and Engineering, ETH Zürich
https://bsse.ethz.ch/lsp
La ségrégation asymétrique des ARNm, également connue sous le nom de localisation des ARNm, a été observée dans un large éventail d'organismes et de types de cellules, allant d'organismes unicellulaires comme la levure à des systèmes cellulaires complexes comme les neurones et les épithéliums intestinaux. Les cellules épithéliales jouent un rôle central dans l'exécution de nombreuses fonctions métaboliques dans le corps humain. Le processus de localisation de l'ARNm et de traduction localisée peut permettre à ces cellules de réagir immédiatement aux changements dynamiques des conditions environnementales, comme les variations de la disponibilité des nutriments. Alors que la localisation des ARNm a fait l'objet de recherches intensives au niveau des transcriptomes, on manque d'informations sur l'état de la traduction. Cela limite notre compréhension des effets fonctionnels d'une telle localisation. Ce projet poursuit donc deux objectifs: (i) Développer une approche basée sur l'étiquetage de proximité pour quantifier la traduction localisée des ARNm au sein de différents compartiments subcellulaires. (ii) Utiliser cette approche innovante pour quantifier la traduction localisée des protéines dans les organoïdes intestinaux.
Génération de conformations alternatives de protéines avec diffusion latente fonctionnelle
Prof. Dr. Thomas Lemmin, Faculty of Medicine Institute of Biochemistry and Molecular Medicine, University of Bern
https://www.ibmm.unibe.ch/research/group_lemmin/index_eng.html
Les protéines constituent de formidables nanomachines qui exécutent la plupart des fonctions essentielles à la vie. Afin de comprendre leur fonctionnement et leurs liens avec diverses maladies, il est primordial de déterminer leurs structures en trois dimensions ainsi que la manière dont celles-ci changent de conformation lors de l'activation de la protéine. Les modèles d'apprentissage automatique (Deep Learning) ont récemment permis la prédiction rapide et à haute résolution de la structure protéique. Cependant, ces prédictions sont encore souvent limitées à une seule conformation.
Dans le cadre de ce projet, nous proposons l'utilisation d'une nouvelle classe de modèle génératif, appelée diffusion model, pour générer des conformations alternatives. Notre approche présente l'avantage de s'intégrer directement aux modèles existants, tout en offrant plus de contrôle pour guider le processus de génération.
Modélisation du repliement des ligands protéiques par l'apprentissage automatique basé sur des informations physiques
Prof. Markus Lill, Department of Pharmaceutical Sciences, University of Basel
https://pharma.unibas.ch/de/research/research-groups/computational-phar…
Les méthodes d'intelligence artificielle (IA) générative ont pris une importance immense ces dernières années, entraînant des changements profonds dans de nombreux domaines technologiques et scientifiques. Ces algorithmes innovants, basés sur le deep learning, permettent aux machines de créer de nouveaux contenus tels que des textes, des images, de la musique et des vidéos. Dans notre projet, nous utiliserons les derniers modèles d'IA générative pour prédire les structures de ligands protéiques et leur dynamique. La robustesse de ces modèles d'IA en présence de quantités limitées de données sera assurée par l'intégration directe de principes physiques, en développant un modèle hiérarchique qui affine progressivement la structure biologique d'un modèle à gros grains à un modèle atomistique.
Prédiction de la dynamique des protéines par IA sur la base de 10'000 structures RMN
Prof. Dr. Roland Riek, Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zurich
https://bionmr.ethz.ch/
Tant la structure tri-dimensionnelle des protéines que le mouvement des atomes au sein de la structure constituent la base de leur fonctionnement. Plus de 100 000 structures de protéines sont connues et, sur cette base, l'intelligence artificielle (IA) permet de prédire la structure à résolution atomique de millions de protéines (AlphaFold). On ne sait toutefois que relativement peu de choses sur la dynamique des protéines. La dynamique varie énormément, allant de la picoseconde (10-12 s) à la seconde. Il existe des mouvements corrélés, dans lesquels de nombreux atomes d'une protéine se déplacent ensemble, ainsi que des mouvements anti-corrélés. La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode qui permet de déterminer expérimentalement la dynamique des protéines en solution. A l'aide de ces données expérimentales, un logiciel basé sur l'IA sera développé, qui pourra également prédire la dynamique de millions de protéines.
Le rôle de l'histone H2A.Z dans l'organisation tridimensionnelle du génome
Prof. Dr. David Suter, Institute of Bioengineering, EPFL
https://www.epfl.ch/labs/suter-lab/
Notre matériel génétique se trouve dans le noyau de chacune de nos cellules et est enroulé autour de nucléosomes, qui sont eux-mêmes composés de huit protéines (histones). Certaines histones existent sous la forme "classique" ou sous des variantes plus rares, qui présentent une structure légèrement différente. H2A.Z est une variante de l'histone canonique H2A et est incorporée dans des nucléosomes situés dans des régions qui contrôlent l'activité des gènes (promoteurs et enhancers). Cependant, le rôle exact de H2A.Z dans le contrôle de l'expression des gènes n'est pas clair. Nous avons mis au point une méthode permettant de remplacer directement H2A.Z par H2A dans des cellules vivantes. Nous émettons l'hypothèse que les perturbations de la transcription causées par le remplacement de H2A.Z par H2A sont en grande partie dues à la perte de l'organisation tridimensionnelle du génome. Dans ce projet, nous voulons étudier les modifications des contacts promoteur-enhancer lors du remplacement de H2A.Z par H2A. Pour ce faire, nous utiliserons la technique Micro-C pour caractériser les modifications des contacts entre protéines qui permettent la communication entre promoteurs et enhancers.
Comment l’organisation du génome influence-t-elle la réplication de l’ADN et la réponse aux médicaments de chimiothérapie?
Dr. Daniel González Acosta, Institute of Molecular Cancer Research, University of Zürich https://www.imcr.uzh.ch/en.html
L'information génétique stockée dans le noyau de chaque cellule doit être organisée avec précision pour maintenir l'intégrité du génome et de ses fonctions. L’un des complexes protéiques les plus importants qui organisent le génome en 3D est le complexe de cohésine, qui rassemble des éléments d’ADN distants. Pour se reproduire, les cellules doivent dupliquer leurs informations génétiques via la réplication de l'ADN. En raison de la taille du génome des mammifères, ce processus se produit à des dizaines de milliers de positions génomiques. La cohésine régule le site où commence la réplication de l'ADN et s'accumule là où la réplication est en cours, en particulier lorsque les cellules sont perturbées dans leur réplication par des traitements chimiothérapeutiques. On ne sait pas encore si l’organisation du génome utilisant la cohésine joue un rôle dans ces processus. Dans ce projet, nous développerons une nouvelle méthode, que nous appelons Repli-C, pour identifier les contacts génomiques dans les régions de réplication. Avec cette nouvelle approche, nous visons à observer comment l'organisation du génome soutient la réplication de l'ADN dans des conditions normales et pendant les traitements chimiothérapeutiques, en testant la contribution de facteurs architecturaux importants à ces processus.
Découverte de la structure des activateurs transcriptionnels hétérodimériques sur la chromatine
Colby Sandate, School of Life Sciences, EPFL
https://www.thomalab.org/
Les facteurs de transcription (TF) sont des protéines qui se lient à des motifs d'ADN spécifiques et, avec les corégulateurs, activent ou répriment des voies d'expression génique spécifiques dans le contexte de la chromatine. La famille de facteurs de transcription de base hélice-boucle-hélice (bHLH) est représentative des TF dans la mesure où elle reconnaît des séquences d'ADN spécifiques et régule des processus biologiques essentiels tels que les rythmes circadiens, la réponse à l'hypoxie et la neurogenèse. Contrairement à de nombreux TF qui se lient à l'ADN sous forme de monomères/homo-oligomères, les TF bHLH-PAS se caractérisent par la nécessité d'une hétérodimérisation de différentes protéines bHLH-PAS pour lier leurs séquences apparentées et activer la transcription. Le mécanisme moléculaire de ce processus n'est pas connu et soulève la question de savoir pourquoi deux TF différents sont nécessaires au fonctionnement, alors que dans d'autres familles, des monomères/homo-oligomères suffisent. En utilisant la cryomicroscopie électronique, nous avons déterminé les structures des hétérodimères bHLH-PAS liés à la chromatine, suggérant un mode de liaison général. Une sous-unité TF se lie non seulement à l'ADN, mais établit également des contacts importants avec les histones et fonctionne éventuellement comme un liant général de la chromatine. Dans ce projet, nous menons une étude mécanistique pour tester la généralité de cette découverte dans la famille bHLH-PAS.