Chapitre 2 - Autres sciences omiques et métabolomique

Qu'est-ce que les Omics ?

Les progrès de la technologie scientifique ont permis d'étudier les systèmes vivants au niveau des tissus et des cellules en mesurant les milliers de molécules qui les composent. La mesure à haut débit de ces molécules est collectivement appelée "omique".¹ Bien qu'il existe plusieurs types d'approches omiques, on distingue quatre disciplines omiques principales qui reflètent la complexité croissante des systèmes vivants, du code génétique au phénotype : la génomique, la transcriptomique, la protéomique et la métabolomique.

Chacune de ces disciplines omiques peut être étudiée individuellement, mais les systèmes biologiques n'agissent pas dans le vide. La combinaison de différentes disciplines omiques par le biais d'études ^{multiomiques2} permet d'obtenir une image holistique des organismes et des systèmes vivants. Nous définissons ci-dessous chacune des quatre principales disciplines omiques, comparons la métabolomique à chacune des trois autres et expliquons comment leur étude en synergie peut favoriser la découverte scientifique.

Génomique et métabolomique

La génomique et la métabolomique se situent aux extrémités opposées du spectre biologique. La génomique est l'étude, généralement par séquençage, de l'ensemble du matériel génétique d'un organisme, y compris les polymorphismes nucléotidiques simples (SNP), les indels, la perte et l'amplification de gènes et les variations du nombre de copies (CNV). En d'autres termes, la génomique est l'étude du schéma directeur d'un organisme et de toute modification de ce schéma directeur ayant un impact sur le potentiel génétique. La métabolomique, quant à elle, est l'ensemble des petites molécules présentes dans un organisme à un moment donné, mesurées par spectrométrie de masse (le plus souvent) ou par résonance magnétique nucléaire (RMN). Par essence, la métabolomique est le potentiel génétique en action et peut être influencée par n'importe quoi : nourriture, drogues, médicaments, stress, etc.

Il n'est pas difficile d'imaginer comment les ensembles de données métabolomiques et génomiques peuvent ajouter des informations contextuelles importantes les unes aux autres afin d'élucider pourquoi des anomalies génétiques spécifiques sont associées à des phénotypes spécifiques. L'intégration des données génomiques et métabolomiques a été largement utilisée pour élucider les structures chimiques, les fonctions et les origines biosynthétiques des métabolites, et plusieurs outils ont été mis au ^point3 pour faciliter ces efforts. Les intégrations génome-métabolome se sont également révélées particulièrement utiles dans la recherche en oncologie, car le cancer présente des caractéristiques génétiques et métabolomiques essentielles. Une ^étude4 a même utilisé l'intégration génomique-métabolomique pour aider à élucider les raisons pour lesquelles des aberrations génétiques peuvent être observées à la fois dans les cellules saines et cancéreuses et pourquoi des indices environnementaux et nutritionnels spécifiques agissent comme des "sélecteurs" au cours de l'oncogenèse.

Transcriptomique et métabolomique

Si la génomique représente le potentiel génétique d'un organisme, tout ce potentiel n'est pas exploité. En fait, chez l'homme, seuls 1,5 à 2 % du génome représentent des gènes codant pour des protéines. Le catalogage de l'ensemble des transcriptions de l'ARN (généralement au moyen de microréseaux ou du séquençage de l'ARN) à partir de l'ADN dans une cellule, un tissu ou un organisme donne une meilleure idée des éléments génétiques qui ont été activés.

La transcriptomique est un outil puissant pour cataloguer non seulement les gènes exprimés, mais aussi les éléments d'ARN non codants (ARN ribosomal, ARN messager, ARN de transfert, microARN et ARN non codant long) qui peuvent avoir un impact sur l'expression des gènes, et la manière dont ces éléments diffèrent dans les états sains et pathologiques. Les transcrits révèlent souvent des signatures qui ne peuvent être détectées par les seules approches génomiques, comme les régulateurs ARN des gènes ^moteurs5 en oncologie. Mais la présence d'un transcrit n'équivaut pas toujours à une protéine mature et fonctionnelle. La métabolomique, quant à elle, révèle des informations essentielles sur les instructions génétiques qui ont non seulement été transcrites en ARN, mais qui ont également été converties en phénotypes mesurables.

Les ensembles de données transcriptomiques-métabolomiques intégrées peuvent contribuer à démystifier les interactions bidirectionnelles et multiformes entre les éléments d'ADN et d'ARN qui conduisent à des phénotypes observables et fournissent des informations exploitables sur ce qui se passe dans un système biologique. Par exemple, la combinaison des données transcriptomiques et métabolomiques peut rendre l'analyse moléculaire d'un échantillon de sang encore plus ^complète6 lors du diagnostic d'une maladie, et a été proposée comme une approche puissante pour stimuler la médecine personnalisée et de précision dans toute une série de conditions.

Protéomique et métabolomique

La protéomique est la technologie omique la plus étroitement liée à la métabolomique. Elle ajoute un niveau de complexité supplémentaire à la génomique et à la transcriptomique en révélant non pas le potentiel génétique, mais les produits des gènes (c'est-à-dire les protéines) qui ont été effectivement synthétisés par un organisme. Plusieurs éléments peuvent influer sur la production ou non d'une protéine mature et fonctionnelle par un organisme, comme les modifications post-traductionnelles ou les toxines et nutriments environnementaux. C'est pourquoi la combinaison d'ensembles de données génomiques/transcriptomiques et protéomiques peut révéler des différences importantes entre ce qu'un organisme pourrait faire et ce qu'il fait réellement.

La métabolomique est l'étude des petites molécules présentes dans un organisme, et certaines d'entre elles sont dérivées de protéines. Il existe toutefois des différences essentielles entre la métabolomique et la protéomique. Tout d'abord, la protéomique recueille des informations sur toutes les protéines produites par un organisme, alors que la métabolomique se concentre uniquement sur les métabolites. Deuxièmement, alors que la protéomique cherche à comprendre et à décrire la structure et la fonction des protéines, la métabolomique étudie les métabolites dans des conditions données, par exemple lors d'un traitement médicamenteux.

Combinées, la protéomique et la métabolomique fournissent une image phénotypique complète. La protéomique révèle quels transcrits d'ARN ont donné des protéines matures et fonctionnelles, tandis que la métabolomique va plus loin et explore la manière dont ces protéines agissent différemment dans des circonstances divergentes. Des ensembles de données intégrés combinant la protéomique et la métabolomique ont été utilisés pour identifier les biomarqueurs du ^cancer7 et caractériser les mécanismes d'^action8 des agents antitumoraux.

Pourquoi les approches multiomiques ont-elles besoin de la métabolomique ?

Alors que de plus en plus de recherches combinent diverses approches omiques pour élucider les fondements de la biologie humaine et démystifier la progression des maladies, la multiomique fait progresser la recherche sur la santé et les maladies humaines. Le marché américain de la multiomique unicellulaire devrait à lui seul dépasser les 7 milliards de dollars américains d' ici 2027, et la métabolomique joue un rôle essentiel dans cette croissance rapide. La métabolomique est l'étude des phénotypes spécifiques qui résultent de l'interaction complexe entre le génome, le transcriptome, le protéome et l'environnement. C'est la dernière pièce du puzzle, car elle seule peut révéler le résultat de ces interactions complexes.

La lipidomique - l'étude à grande échelle des voies et des réseaux de lipides cellulaires - et la glycomique - l'étude systématique de toutes les structures glycanniques (c'est-à-dire des sucres) d'une cellule, d'un tissu ou d'un organisme donné - sont des "spécialisations" de la métabolomique qui exercent une part importante de l'influence de la métabolomique sur la contribution globale des études multiomiques à l'amélioration de notre compréhension de la santé et de la maladie. Ces métabolites spécifiques jouent souvent un rôle essentiel dans la pathogenèse des maladies ou servent de biomarqueurs. Des outils sophistiqués, tels que l'^iKnife9, sont mis au point pour faciliter le diagnostic, le traitement et le suivi des maladies. Par exemple, l'iKnife peut informer les chirurgiens de l'état pathologique d'un tissu au cours d'une intervention en chauffant le tissu et en effectuant une analyse lipodomique en temps réel de la fumée qui en résulte.

L'iKnife n'est qu'un exemple unique des nombreuses façons dont la métabolomique ouvre une nouvelle ère dans notre compréhension de la santé et de la maladie. Les approches multiomiques centrées sur la métabolomique en tant qu'élément clé sont sur le point de révolutionner les soins de santé. Metabolon se positionne à l'avant-garde de cette nouvelle ère de la recherche clinique. La plateforme métabolomique mondiale, qui s'appuie sur la base de données interne inégalée de Metabolonde plus de 5 400 petites molécules, aide les chercheurs à identifier des biomarqueurs de pharmacodynamie, d'efficacité et de réponse et révèle des changements dans les voies biologiques clés. Plusieurs entreprises ont déjà tiré parti de cette plateforme pour améliorer leurs essais cliniques et garantir la réussite de divers traitements.

Quelle est la prochaine étape ?

Maintenant que vous savez où se situe la métabolomique dans le puzzle de la multiomique, ce guide va explorer plus avant la métabolomique en tant que technologie. Dans le chapitre suivant, vous apprendrez comment les métabolites sont détectés et la méthode de base pour générer des données métabolomiques. Puis, dans les chapitres suivants, nous explorerons certaines des applications académiques, industrielles et cliniques les plus prometteuses de la métabolomique afin que vous puissiez vous faire une meilleure idée de la manière dont la métabolomique pourrait contribuer à vos propres efforts de recherche.