Projet ANR-10-JCJC-1606 – PlasmoExpress : Méthodes bioinformatiques pour l'analyse de la régulation transcriptionnelle chez Plasmodium falciparum
Programme : JCJC : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Génomique, génomique fonctionnelle, bioinformatique, biologie systémique (JCJC SVSE 6)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Laurent BRÉHÉLIN (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE LANGUEDOC-ROUSSILLON)
Partenaires : Laboratoire d'Informatique, de Robotique et de Microélectronique de Montpellier
Montant : 190000.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Développement de méthodes bioinformatiques pour l'étude de l'expression génique du parasite responsable de la malaria (paludisme)Ce projet a pour objectif de développer de nouvelles méthodesbioinformatiques pour comprendre comment le parasite responsable de lamalaria régule l'activité de ses gènes, notamment en réponse à untraitement ou à un stress. In fine, un des objectifs est donc decomprendre comment le parasite réagit à un traitement anti-paludique,afin d'améliorer les traitements existants et en trouver de nouveaux.
Comprendre la biologie d'un des parasites les plus meurtriersLa Malaria est l'une des maladies infectieuses les plusmeurtrières. Elle menace un demi milliards d'humains dans le Monde etcause entre 1 et 2 millions de décès chaque année, principalement dansles pays en voie de développement. L'infection est causée par desparasites protozoaires du genre Plasmodium, transmis par la piqure desmoustiques Anopheles femelles.Malgré les efforts soutenus pour combattre la maladie, de nouveauxmédicaments sûrs et abordables sont requis pour répondre àl'apparition de résistance face aux traitements actuels. À cette fin,une compréhension fondamentale de la façon dont les gènes du parasitesont régulés est essentielle pour le développement de nouvellesstratégies thérapeutiques. En particulier, une meilleure connaissancedes processus régulant les gènes impliqués dans des fonctions clés,telles que la transmission, l'évasion immunitaire et la résistance auxmédicaments, est susceptible de fournir de nouvelles ciblesthérapeutiques prometteuses. De plus, cela pourrait mettre en lumièrele mode d'action de certaines thérapies actuelles, et aider àcomprendre le mécanisme de résistance du parasite.Le but de ce projet est de développer de nouvelles méthodesbioinformatiques permettant de percer les mécanismes de régulation del'activité des gènes chez Plasmodium. In fine, les buts sontl'identification de nouvelles cibles thérapeutiques, etl'identification des cibles des anti-paludiques connus.
Développer de nouvelle méthodes pour analyser les données génomiques et post-génomiquesEn plus de son génome, séquencé en 2002, nous disposons de nombreusesétudes à haut débit qui ont mesuré le niveau d'activité des gènes dePlasmodium sous diverses conditions, normales ou lors d'un traitementanti-paludique. Ces données, souvent désignées sous le terme dedonnées post-génomiques, montrent un programme de contrôle del'expression génique précis et complexe. Cependant, mis à part pour unpetit nombre de gènes, nous en savons très peu sur les mécanismessous-jacents de ce programme. L'objectif de ce projet est dedévelopper de nouvelle méthodes informatiques pour analyser le génomede Plasmodium et les données post-génomiques produites, afind'identifier les mécanismes de régulation ainsi que les principalescibles des anti-paludiques connus. Une composante essentielle de cesdonnées haut débit est, à côté de leur taille importante, le faitqu'elles sont souvent bruitées. Cela rend l'identification du ou desquelques gènes impliqués dans un mécanisme particulierparticulièrement difficile. Il est donc nécessaire de mettre en oeuvredes méthodes probabilistes et statistiques adaptées, afin dedifférencier ce qui relève d'une réponse biologique spécifique, de cequi n'est que du bruit, ou une réponse biologique co-occurente, maissans lien direct avec le phénomène observé.
Résumé de la soumission : La Malaria est l'une des maladies infectieuses les plus meurtrières.Elle menace un demi milliards d'humains dans le Monde et cause entre 1et 2 millions de décès chaque année, principalement dans les pays envoie de développement. L'infection est causée par des parasitesprotozoaires du genre Plasmodium, transmis par la piqure desmoustiques Anopheles femelles. Des quatre espèces infectant leshumains, P.falciparum est celle causant le plus grand nombre demalades et de décès.Le génome de P.falciparum a été publié en 2002. Il s'agit d'un génomeatypique, avec un contenu élevé en A/T (80%) et de longues insertionsde faible complexité dont la fonction demeure inconnue. Près de 60%des ~5500 gènes prédits ne présentent pas de similarité suffisanteavec des gènes caractérisés chez d'autres espèces pour leur associerune fonction hypothétique et ne sont donc pas annotés dans la "GeneOntology" (http://www.geneontology.org). Bien que cette situationpuisse être partiellement expliquée par l'existence de gènes uniquesau genre Plasmodium, elle est exacerbée par la grande distanceévolutive séparant P.falciparum des autres organismes séquencés, cequi rend la détection d'homologie particulièrement difficile.Malgré les efforts soutenus pour combattre la maladie, de nouveauxmédicaments sûrs et abordables sont requis pour répondre àl'apparition de résistance face traitements actuels. À cette fin, unecompréhension fondamentale de la façon dont les gènes du parasite sontrégulés est essentielle pour le développement de nouvelles stratégiesthérapeutiques. En particulier, une meilleure connaissance desprocessus régulant les gènes impliqués dans des fonctions clés, tellesque la transmission, l'évasion immunitaire et la résistance auxmédicaments, est susceptible de fournir de nouvelles ciblesthérapeutiques prometteuses. De plus, cela pourrait mettre en lumièrele mode d'action de certaines thérapies actuelles, et aider àcomprendre le mécanisme de résistance chez P.falciparum.De nombreuses études à haut débit ont scruté l'expression des gènes deP.falciparum sous diverses conditions, montrant un programme decontrôle de l'expression génique précis et complexe. Cependant, mis àpart pour un petit nombre de gènes, nous en savons très peu sur lesmécanismes sous-jacents de ce programme, en particulier surl'importance relative des mécanismes de régulation transcriptionnel etpost-transcriptionnel du parasite.Dans ce projet, nous visons le développement de nouvelles méthodesbioinformatiques permettant de percer les mécanismes de régulation del'expression des gènes chez P.falciparum. Les buts sontl'identification de nouvelles cibles thérapeutiques, etl'identification des cibles des anti-paludiques connus. Le projetcomprend trois tâches principales: 1) La recherche de nouveauxfacteurs de transcription; 2) L'étude des controles au niveau de lachromatine et des processus post-transcriptionnel; 3) Lacaractérisation de la réponse transcriptomique de P.falciparum auxthérapies actuelles. D'un point de vue computationel, cela implique ledéveloppement de nouvelles approches pour la détection d'homologies etla modélisation des données acquises par l'expérimentation haut débit.Nous utiliserons des approches d'apprentissage automatique adaptées àla nature bruitée des données post-génomiques (HMMs, modèles demélange, modèles linéaires, clustering).Ce projet est une collaboration entre l'équipe de bio-informatique duLIRMM (Montpellier) et trois laboratoires de sciences de la vieimpliqués dans l'étude de P.falciparum: l'équipe d'Éric Maréchal duLPCV (Grenoble), l'équipe d'Henri Vial du DIMNP (Montpellier), ainsique l'équipe de Karine Le Roch à l'Université de Californie(Riverside). Ces trois laboratoires ont acquis une excellenteexpertise dans l'étude de P.falciparum et ont collaboré de façonfructueuse à plusieurs reprises.
Résultats : Un des résultats majeur du projet est le développement d'une méthode
qui identifie dans le génome d'un organisme (Plasmodium, mais la
méthode a également été appliquée avec succès à d'autres organismes)
des signaux de régulation en lien avec l'activité de ses gènes. Plus
précisément, la méthode identifie des «mots« d'une longueur d'une
dizaine de nucléotides (A, T, G, C) dont la présence dans le génome
aux alentours immédiats d'un gène, est corrélée avec le profil
d'expression de ce gène, c-à-d son niveau d'activité à différents
moments du cycle cellulaire. Ce sont donc ces mots dans le génome, qui
codent à quel moment un gène doit être actif ou inactif. Chez
Plasmodium, cette méthode a permit d'identifier une trentaine de mots
corrélés à des profils particuliers : des mots dont la présence près
d'un gène induit un niveau d'activité important en début de cycle
cellulaire et bas ensuite, des mots induisant des profils d'expression
inverses, etc.
Cette méthode a été implémentée dans un logiciel appelé RED2, qui est
proposé sur la plate-forme de bioinformatique du LIRMM. Les
utilisateurs peuvent télécharger un ensemble de profils d'expression,
sélectionner l'organisme de leur choix, et la plate-forme leur envoie
par email l'ensemble des signaux de régulation identifiés par le
programme et la liste des gènes qu'ils contrôlent.
http://www.atgc-montpellier.fr/RED2/
Perspectives : Une des perspectives de ce travail est de réaliser un inventaire le
plus exhaustif possible des signaux de régulation présent dans le
génome de Plasmodium, en utilisant la méthode RED2 sur l'ensemble des
données post-génomiques produites pour cet organisme.
Publications et brevets : La méthode RED2 vient d'être acceptée pour publication dans la revue
Genome Biology : Computational discovery of regulatory elements in a
continuous expression space.  Lajoie M., Gascuel O., Lefort V.,
Bréhélin L. Genome Biology, sous presse.
http://www.lirmm.fr/~brehelin/PlasmoExpress/