La promesse des réseaux métaboliques | Journal de la Société espagnole de biochimie et de biologie moléculaire | SEEBM

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En 1937, Hans Krebs a identifié une série de réactions par lesquelles les organismes aérobies génèrent de l’énergie en oxydant l’acétate ; aujourd’hui, nous connaissons cet ensemble de réactions comme le cycle de Krebs. À partir de ce moment, l’une des grandes réussites de la biochimie cellulaire a été de découvrir les différentes voies métaboliques qui existent dans les cellules. Depuis lors, également, le métabolisme est compris comme une concaténation de voies plus ou moins linéaires, étanches et indépendantes les unes des autres.

Cette vision a conduit le métabolisme à être étudié pendant des décennies d’un point de vue réductionniste, c’est-à-dire en supposant que chaque voie peut être étudiée et comprise indépendamment des autres. D’une manière générale, les progrès techniques ont permis dans de nombreux cas d’établir la séquence des réactions qui constituent une voie métabolique, d’isoler et d’identifier les enzymes qui catalysent ces réactions, et même de reconstituer la voie en vitromédiation par des expériences avec des composés purifiés.

Des voies métaboliques aux réseaux métaboliques

Avec l’avènement des techniques à haut débit à la fin du XXe siècle, des informations sur la cellule d’un point de vue systémique ont pu être obtenues pour la première fois. L’accumulation de données sur le phénotype métabolique au niveau cellulaire a révélé que, bien que nous ayons pu identifier de nombreuses voies métaboliques, cette connaissance n’était pas suffisante pour expliquer le phénotype1.

L’une des raisons de cet échec se trouve précisément dans l’approche réductionniste : le métabolisme n’est pas une série de voies métaboliques linéaires et indépendantes les unes des autres, mais un réseau complexe de réactions biochimiques (fig. 1, cliquez ici ou sur l’image pour l’agrandir).

Figure 1. Des voies métaboliques aux réseaux métaboliques
(A) Le cycle de Krebs, tel qu’il est habituellement représenté. (B) Reconstruction du métabolisme humain complet. Chaque nœud du réseau représente un métabolite différent, et deux métabolites sont connectés s’il existe une réaction pour convertir l’un en l’autre. Les réactions appartenant au cycle de Krebs sont indiquées en orange.

Contrairement à l’intuition générée par l’approche des voies métaboliques, très peu de réactions sont nécessaires dans le réseau métabolique pour obtenir un métabolite quelconque à partir d’un autre métabolite (en supposant que toutes les enzymes et tous les réactifs nécessaires existent). Par conséquent, d’un point de vue systémique, les différentes voies métaboliques sont fortement interconnectées. Par conséquent, la tâche d’identifier systématiquement les mécanismes qui produisent un phénotype donné est une tâche pratiquement impossible si l’on ne tient compte que de la séquence des réactions (et même des réactions secondaires) au sein de cette voie.2

En fait, la compréhension du métabolisme en tant que réseau complexe remet en question l’utilité du concept de voie métabolique. L’analyse topologique des réseaux métaboliques montre que le métabolisme est divisé en groupes de métabolites qui, dans de nombreux cas, ne correspondent pas aux voies métaboliques classiques. Étant donné que toute perturbation métabolique se répandra dans le système en utilisant le réseau global des réactions biochimiques, quel est l’intérêt d’étudier l’effet d’une telle perturbation dans une voie métabolique particulière ? Malgré l’importance historique (et, dans certains cas, pratique) du concept de voie métabolique, le changement d’orientation nécessite de nouveaux concepts pour décrire le métabolisme au niveau du système.

Certaines conséquences importantes du « métabolisme en tant que réseau »

Effectivement, certains aspects du métabolisme ne peuvent être compris de manière adéquate que dans une perspective de systèmes et de réseaux. Examinons quelques exemples.

Comme nous l’avons noté, du point de vue des voies métaboliques, une petite perturbation du métabolisme (par exemple, une mutation dans un gène codant pour une enzyme) serait confinée à la voie dans laquelle la perturbation se produit. Dans le réseau métabolique global, cependant, toute perturbation est susceptible d’affecter l’ensemble du système. On pourrait penser qu’avec des centaines ou des milliers de métabolites, cela a peu de chances de se produire ; mais il faut noter que la distance moyenne entre les métabolites dans le réseau n’est que de 8 étapes, c’est-à-dire qu’en moyenne il ne faut que 8 réactions pour transformer un métabolite en n’importe quel autre métabolite3. Avec une distance moyenne aussi courte, on comprend que la possibilité d’effets systémiques est loin d’être éloignée.

« Dans le réseau métabolique global, toute perturbation est susceptible d’affecter l’ensemble du système. »

Et un autre exemple. Du point de vue des voies, le métabolisme est organisé autour de certains métabolites notables : nous avons, par exemple, la glycolyse, dont le métabolite « central » est le glucose. Du point de vue du réseau, les métabolites centraux ne sont pas nécessairement ceux qui occupent des positions proéminentes dans une voie particulière, mais ceux qui relient une zone du réseau à une autre, les goulots d’étranglement sans lesquels les flux à travers le réseau sont interrompus ou sérieusement perturbés. En accord avec ce point de vue, il a été démontré que ces métabolites connecteurs (qui sont parfois complètement invisibles du point de vue de la voie) sont hautement conservés dans des organismes de tous types, et fonctionnent en pratique comme des points de contrôle systémiques du métabolisme4,5.

Reconstructions métaboliques à l’échelle du génome

L’étude du métabolisme dans une perspective systémique nécessite, outre un changement conceptuel, une compréhension approfondie des transformations biochimiques qui se produisent au sein de chaque organisme. Grâce à l’étude des voies métaboliques au cours du siècle dernier, nous disposons de grandes quantités d’informations sur les réactions biochimiques qui se produisent dans différents organismes et sur les enzymes qui catalysent ces réactions. Cependant, ces études se sont traditionnellement concentrées sur des organismes modèles, laissant le métabolisme d’autres espèces presque totalement inexploré.

Heureusement, le développement de techniques de séquençage de l’ADN rapides et efficaces au début du 21ème siècle nous a permis d’obtenir des reconstructions métaboliques à l’échelle du génome de manière systématique pour un grand nombre d’organismes. En termes généraux, ces reconstructions métaboliques sont obtenues comme suit. Étant donné le génome d’une espèce, on commence par identifier les gènes codant pour des enzymes, soit parce qu’il s’agit d’enzymes déjà connues, soit, dans la plupart des cas, en raison de leur orthologie avec des gènes codant pour des enzymes d’autres espèces. Ces enzymes putatives sont associées à une fonction catalytique identique à celle réalisée par l’enzyme orthologue et sont supposées catalyser exactement les mêmes réactions que cette dernière.

« Bien que la reconstruction métabolique à partir du génome ne soit pas parfaite, elle est généralement assez complète pour prédire les phénotypes métaboliques. »

Après ce processus, on obtient une première ébauche du métabolisme de l’espèce. L’une des principales difficultés de ce processus est qu’il y a souvent des réactions chimiques « manquantes », c’est-à-dire que certaines chaînes de transformations biochimiques ne sont pas complètes. Heureusement, il existe des méthodes de calcul qui permettent de résoudre ce manque d’information avec solvabilité, bien qu’il soit souvent souhaitable de valider ces reconstructions par des expériences afin d’obtenir des reconstructions métaboliques très fiables6.

La validation expérimentale de certaines de ces reconstructions montre que, bien que la reconstruction métabolique à partir du génome ne soit pas parfaite, elle est généralement assez complète pour prédire les phénotypes métaboliques, avec des méthodes telles que l’analyse du bilan des flux (FBA).7

Grâce à ces avancées, nous disposons désormais de reconstitutions du métabolisme pour un large éventail d’espèces. Grâce à diverses initiatives publiques et privées, ces informations sont disponibles de manière exhaustive dans différentes bases de données telles que KEGG, EcoCyc, BioCyc ou Recon 2. Ces bases de données offrent des cartes complètes du métabolisme qui comprennent plusieurs couches d’information : génétique, enzymatique, moléculaire, etc.8.

L’existence de reconstructions métaboliques à l’échelle du génome d’organismes de tous les règnes de la nature, ainsi que le développement de méthodes computationnelles pour étudier le phénotype métabolique, ont considérablement élargi l’horizon des possibilités de compréhension du métabolisme non seulement au niveau de l’organisme et de sa réponse aux perturbations externes, mais aussi à l’échelle de l’évolution, puisqu’elles permettent la comparaison entre organismes.

L’intégration de la métabolomique et des autres sciences omiques

Les progrès de la génomique, de la transcriptomique et de la protéomique à haut débit ont permis des avancées dans ces domaines qui ne peuvent être comparées aux avancées plus modestes de la métabolomique. Les techniques actuelles nous permettent de séquencer des génomes entiers et de quantifier avec précision le niveau d’ARNm ou de protéines dans un échantillon. Cependant, nous ne pouvons pas quantifier la concentration de tout métabolite dans un échantillon (de manière non ciblée). Et pourtant, le phénotype d’un organisme est finalement déterminé par la concentration des métabolites, plutôt que par les gènes, l’ARN ou les protéines.

« Les reconstructions métaboliques disponibles dans les bases de données nous permettent d’intégrer les données métabolomiques aux résultats obtenus par les autres sciences omiques, plus matures. »

Les progrès qui permettront d’obtenir le métabolome complet d’un organisme mettront des années à arriver, donc, à court terme, les informations que nous obtiendrons sur la concentration des métabolites dans un échantillon resteront partielles. Heureusement, les reconstructions métaboliques disponibles dans les bases de données nous permettent d’intégrer les données métabolomiques aux résultats obtenus par les autres sciences omiques plus matures.

En particulier, grâce aux reconstructions métaboliques, nous pouvons construire un réseau de relations dans lequel deux métabolites sont liés s’il existe au moins une réaction qui transforme un métabolite en l’autre. Dans ce réseau, les enzymes jouent le rôle de connexions entre les métabolites. Ce type de représentation facilite l’intégration des données de métabolomique et de protéomique quantitative, car il permet de représenter deux types d’informations dans un seul réseau. Cette représentation permet également d’incorporer des méthodologies développées dans le domaine des réseaux complexes afin de quantifier de manière plus complète l’état métabolique du système.

Evidemment, l’analyse cohérente des données provenant de différentes sources (métabolomique, protéomique et même d’autres couches) à partir d’une approche de réseau complexe n’est pas triviale. Des méthodes spécifiques doivent encore être développées pour extraire la signification biologique des informations disponibles. Cependant, de telles approches ouvrent la porte à l’étude de domaines du métabolisme qui sont simultanément altérés (au niveau des métabolites et des enzymes) et donc d’avancer dans la définition d’un nouveau concept de voie métabolique, plus général et mieux supporté par la réalité systémique du métabolisme.

Bibliographie

  1. Bruggeman F.J., Westerhoff H.V : La nature de la biologie des systèmes. Trends Microbiol 2007 ; 15 : 45-50.
  2. Alon U. : Une introduction à la biologie des systèmes : principes de conception des circuits biologiques. Chapman & Hall/CRC Mathematical and Computational Biology, 2006.
  3. Arita M. : Le monde métabolique d’Escherichia coli n’est pas petit. Proc Natl Acad Sci USA 2004 ; 101 (6) : 1543-7.
  4. Guimerà R, Amaral L.A.N. : Cartographie fonctionnelle des réseaux métaboliques complexes. Nature 2005 ; 433 : 895-900.
  5. Guimerà R., Sales-Pardo M., Amaral L.A.N. : Une méthode basée sur les réseaux pour la sélection de cibles dans les réseaux métaboliques.
  6. Voir http://blog.theseed.org/servers/.
  7. Palsson B.Ø. : Biologie des systèmes : propriétés des réseaux reconstruits. Nueva York : Cambridge University Press, 2006.
  8. Thiele I., Palsson B.Ø. : Un protocole pour générer une reconstruction métabolique de haute qualité à l’échelle du génome. Nature Protocols 2010 ; 5 : 93-121

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