Biomarqueurs ADN et ARN

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Investiguer ADN et ARN pour identifier des biomarqueurs pertinents

Les molécules d’ADN et d’ARN sont à la base de la constitution de chaque cellule, de chaque organe et donc de chaque organisme.
Isoler ces molécules et décrypter leurs mécanismes permet d’identifier certains biomarqueurs (ou marqueurs biologiques) qui seront associés à des pathologies ou à la réponse à des agents extérieurs tels que des médicaments, la pollution, etc.

ADN et ARN : Définition et fonction

L’ADN et l’ARN (respectivement acide désoxyribonucléique et acide ribonucléique) sont des molécules qui présentent des différences au niveau de leur structure et de leur fonction dans la cellule.
L’ADN représente la Matrice de toutes les cellules d’un organisme et comporte le cryptage des gènes. Ces gènes sont exprimés sous la forme d’ARN : ARN codant pour une protéine (~2% du génome humain) et ARN non codant (~20% du génome humain). Ces gènes permettent la synthèse des briques élémentaires de la vie, favorisent certaines réactions enzymatiques et permettent une régulation extrêmement complexe de tous ces éléments.
Contrairement à l’ADN, qui est défini à la naissance et change peu au cours de la Vie, l’ARN est en constante évolution, reflétant l’état de santé général de la cellule, de l’organe et de l’organisme auquel il appartient.

« Connaître nos gènes, ou ceux qui sont pertinents, nous aide à prendre en charge notre santé. Si l’ADN est notre modèle, l’ARN est ce qui nous aide à mettre en œuvre le plan. Les ARN sont plus changeants et moins stables que l’ADN », explique le Dr Sharad Paul, chirurgien cancérologue néo-zélandais et auteur de « The Genetics of Health », une étude sur le rôle que jouent les gènes dans la vie.

Investiguer ADN et ARN pour identifier des biomarqueurs pertinents

Au cours des recherches, l’objectif de l’analyse de l’ADN est d’identifier les mutations génomiques, depuis un seul élément constitutif de l’ADN (paire de bases) jusqu’à un large segment d’un chromosome qui comprend plusieurs gènes. Deux principaux types d’altérations, appelées mutations, sont observés :

  • Les altérations génétiques constitutionnelles, héritées d'un parent, qui sont également appelées mutations germinales parce qu'elles sont présentes dans les ovules ou les spermatozoïdes du parent, qui sont également appelés cellules germinales. Si cet ADN contient une mutation, l'enfant qui se développe à partir de l'ovule fécondé aura la mutation dans chacune de ses cellules. Ces altérations peuvent faire partie de l'évolution "positive" d'une espèce au fil du temps.
  • Les altérations génétiques somatiques (ou acquises), qui surviennent à un moment donné de la vie et ne sont présentes que dans certaines cellules, et non dans toutes les cellules du corps. Ces altérations peuvent être causées par des facteurs environnementaux tels que les rayons ultraviolets du soleil, ou peuvent se produire si une erreur est commise lorsque l'ADN se copie pendant la division cellulaire. Les mutations acquises peuvent entraîner le développement d'une pathologie (maladies génétiques, cancers, etc.).

L’ADN a été considéré comme la classe tractable des mutations causant des maladies. Ces modifications sont très explorées, surtout depuis l’avènement du séquençage de l’ADN.

Les mutations les plus étudiées sont les polymorphismes mononucléotidiques (SNP) et les séquences d’insertion/délétion (InDels), qui représentent une mutation ou une séquence unique pouvant être modifiée, insérée ou supprimée de manière aléatoire ou ciblée dans le génome d’un individu ou d’un groupe d’individus présentant des caractéristiques communes (sain ou malade, traité par un médicament ou un placebo, même ethnie, etc.). Ces processus représentent également des mécanismes qui peuvent conduire à l’apparition d’un phénomène biologique ou d’une maladie, comme la résistance ou la sensibilité à certaines infections.

L’ADN peut également subir des modifications « chimiques » telles que la méthylation (ou déméthylation) d’un acide désoxyribonucléique. Ces modifications épigénétiques, phénomènes naturelles, sont normalement contrôlées par la cellule elle-même mais parfois subies par un agent extérieur (pollution, etc.), et entraînent une modification de l’expression des gènes et donc des protéines induites.

Remarque : Au cours de la dernière décennie, dans le domaine de la recherche en oncologie, des molécules d’ADN spécifiques sont fortement étudiées dans le cas de l’identification de tumeurs solides. Si l’ADN acellulaire (cfDNA) est détecté naturellement et normalement dans les biopsies liquides (sang, salive ou urine), les chercheurs cherchent à détecter l’ADN tumoral circulant (ADNtc). Ces ADNtc proviennent de la tumeur ou de cellules tumorales circulantes (CTC), des cellules tumorales intactes qui se détachent des tumeurs primaires.

De l’ADN vers l’ARN

Dans le processus d’expression génique (la transcription), les gènes codés sur l’ADN sont recopiés et transcrits en molécules d’ARN. La famille des ARN est très vaste et peut être divisée en deux familles :

  • Les ARN codant pour les protéines (ARNm ou ARN codant). La plus étudiée est l'ARN messager (ARNm) et représente moins de 3 à 5 % des molécules d'ARN dans la cellule. Ils sont impliqués dans la production de protéines, d'hormones, d'enzymes, etc.
  • et d'ARN non codants, c'est-à-dire des ARN dépourvus de potentiel de codage des protéines. Les ARN non codants sont ensuite divisés en différentes classes selon leur localisation ou leur mécanisme d'action capable d'interférer physiquement avec un autre ARN, un ADN ou une protéine afin de modifier leurs activités. Par exemple, l'ARN long non codant comme l'ARN ribosomique ou de transfert (plus de 90 % du total des molécules d'ARN dans une cellule) est impliqué dans les processus de traduction, l'ARN nucléaire de petite taille dans la modification de l'ARN, ou l'ARN interférant de petite taille, le micro-ARN et le piwi-ARN interagissant dans le silençage de l'ARN.

Dans le cadre de recherche, l’analyse de certains ARNs a pour but d’identifier des processus moléculaires naturellement contrôlés par la cellule, mais qui sont perturbés dans certains cas :

  • L’épissage alternatif (splicing) : processus permettant à 1 gène de produire différentes molécules d'ARN et d'introduire de la diversité (selon un besoin environnemental ou biologique, une altération cellulaire, une pathologie, une réponse à un médicament, etc.). Ainsi, chaque ARN peut être traduit (processus de synthèse d'une protéine à partir d'une molécule d'ARN) en plusieurs protéines, et donc en différentes fonctions cellulaires, avec des effets positifs ou négatifs;
  • Les modifications post-transcriptionnelles des ARN (RNA editing) : processus permettant d’introduire des modifications structurelles de l’ARN (polymorphisme, méthylation…) au moment de sa maturation et, en conséquence, de modifier la protéine produite ;
  • La dégradation de l'ARN (dégradome) : processus permettant de contrôler la durée de vie, et donc l’activité d’une molécule d’ARN, pouvant être de quelques secondes à plusieurs jours.

Biomarqueurs ADN et ARN dans la pratique médicale et les essais cliniques

ADN et ARN sont aujourd’hui utilisés comme biomarqueurs pour le diagnostic et le pronostic de différentes maladies. Détectables dans les tissus ou les fluides (biopsies liquides : salive, urine, sérum ou sang), ces acides nucléiques sont ainsi considérés comme des biomarqueurs de routine pour le diagnostic du cancer, la surveillance de la progression tumorale et la prédiction de la réponse thérapeutique telle que la réponse ou la résistance à une molécule.

Au cours des dernières décennies, les essais cliniques incluant une stratification des patients par des biomarqueurs se sont avérés fructueux dans le développement de nouveaux médicaments. Depuis la fin 2018, ce sont ainsi plus de 30 médicaments qui ont été développé conjointement avec un diagnostic d’identification des patients les plus susceptibles de bénéficier de ces nouveaux traitements. Cette approche est aujourd’hui suivie pour les scientifiques et les industriels impliqués en médecine de précision.

Biomarqueurs ARN : une approche thérapeutique en temps réel

L’analyse des ARN (ou analyse de l’expression des gènes) est une approche particulièrement pertinente en diagnostic et diagnostic prédictif avec de très bons résultats expérimentaux obtenus dans différentes maladies, en particulier en oncologie. L’analyse des ARN présente l’avantage de pouvoir être mise en œuvre sur une biopsie liquide, notamment un prélèvement sanguin, approche non invasive et adaptée pour un usage clinique en routine : facilité d’utilisation, sécurité d’emploi, débit important et coût faible.

Comparées à des analyses mises en oeuvre sur la tumeur (prélèvement aléatoire et non représentatif de la diversité de la population clonale) ou le liquide cérébrospinal dans les pathologies neuro-dégénératives (risques pour le patient, coût élevé, débit faible…) ou en imagerie médicale (débit faible, coût important…), l’analyse de l’expression des gènes basée sur le sang (total) répond totalement aux besoins identifiés par de nombreux scientifiques et équipes médicales.

Les biomarqueurs ARN permettent :

  • une analyse très précoce d’apparition ou d’évolution de la maladie,
  • une analyse différentielle de l'expression des gènes,
  • une analyse informative et précise,
  • une analyse spécifique de la réponse au médicament.

Au cours des dernières années, de nombreuses études ont démontré la pertinence de l’utilisation des technologies d’analyse des ARN pour l’identification de biomarqueurs pertinents de diagnostic. Ces technologies de détection des ARNs sont aujourd’hui utilisées par de nombreux tests diagnostiques in vitro (IVD) et permettent la détection, la stratification ou l’orientation thérapeutique chez des patients dans le cancer du sein ou encore du colon.

Par conséquent, les changements, évolutions ou modifications de l’ADN et de l’ARN peuvent être classés comme des gains ou des pertes de fonction, ou encore comme des altérations, et doivent être considérés comme des cibles d’action potentielles élevées ou des biomarqueurs, aussi bien dans le développement de traitements médicamenteux que dans celui des diagnostics innovants.

L’expertise d’Acobiom a mis en œuvre une approche innovante pour améliorer la gestion personnalisée du cancer dans le processus décisionnel, en utilisant des biomarqueurs ARN pour aider à la stratification des patients.

Sur la base de son savoir-faire et sa plate-forme technologique, la société propose également une gamme de services omiques permettant l’analyse, l’identification et la validation de biomarqueurs ADN ou ARN.

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