BIOTECHNOLOGIE

En termes simples, la biotechnologie se définit comme toute technologie basée sur des organismes vivants ou des systèmes biologiques. D’après cette définition, l’être humain utilise déjà la biotechnologie depuis des millénaires pour la fabrication de produits alimentaires, de textiles et autres objets d’usage courant. Plusieurs produits de consommation quotidienne – pain au levain, yoghourt, fromage, vin, bière, vi-naigre, etc. – sont préparés à l’aide de micro-organismes de culture.

Or, au cours des dernières années, le terme de «biotechnologie» a vu son sens se modifier et se réfère aujourd’hui, dans la majorité des cas, aux applications du génie génétique et de ses techniques associées. Cette définition désormais courante est maintenant utilisée dans un grand nombre d’applications qui vont de la médecine à l’agriculture.

Amgen fabrique des médicaments basés sur des molécules endogènes, c’est-à-dire propres à l’organisme. La biotechnologie fournit le processus par lequel ces subs-tances humaines peuvent être produites en quantité suffisante à des fins thérapeu-tiques.

Les médicaments produits par ce moyen sont donc souvent identiques à des subs-tances qui existent naturellement. En règle générale, ces produits sont des protéines dont le rôle physiologique est très spécifique.

Les protéines d’Amgen sont produites par génie génétique. Le matériel biologique dans lequel se fait la production sont des bactéries, des levures ou des cellules de mammifères dans lesquelles on a introduit l’information nécessaire pour synthétiser la protéine que l’on désire produire à des fins thérapeutiques. Les protéines simples peuvent être produites dans des bactéries ou des levures. Par contre, les protéines complexes, porteuses de résidus de sucres, qui correspondent aux glycoprotéines humaines peuvent être produites uniquement dans des cellules de mammifères. Une fois ces cellules mises en culture, elles sont multipliées principalement par l’emploi de la technique de fermentation.

L’introduction d’informations dans le matériel génétique de la cellule se reflète dans la désignation des protéines fabriquées par génie génétique: on les appelle des pro-téines recombinantes; et ce sont précisément ces protéines qui représentent l’essentiel de l’engagement d’Amgen dans le secteur biotechnologique.

Les origines de la biotechnologie moderne remontent à plus d’une centaine d’années, à savoir aux travaux de Louis Pasteur, de Robert Koch et de Gregor Mendel. Tandis que Pasteur et Koch ont jeté les bases de la science qui porte aujourd’hui le nom de microbiologie, Mendel a été le premier à formuler les lois de l’hérédité génétique. De nombreux scientifiques ont contribué aux progrès de la connaissance dans ces do-maines.

Finalement, les recherches scientifiques au début des années 50 ont conduit à la découverte de l’acide désoxyribonucléique (ADN), matériel de base de la génétique par excellence. Peu après, James Watson et Francis Crick ont été les premiers à dé-crypter la structure de l’ADN. Au début des années 70, plusieurs laboratoires universi-taires – entre autres à l’Université de Californie à San Francisco, à l’Université de Stan-ford et à Harvard – ont développé les premières techniques d’introduction de gènes dans des bactéries. Ces découvertes ont constitué les fondements de la révolution biotechnologique à suivre.

Le premier produit de la biotechnologie moderne a été l’insuline, une hormone pepti-dique produite par le pancréas et nécessaire à l’organisme pour réguler le niveau de glucose sanguin. Les patients atteints de diabète sucré ne sont pas en mesure de produire suffisamment d’insuline et doivent donc prendre des médicaments pour y suppléer.

L’insuline a été isolée pour la première fois à partir de pancréas de bœuf et de porc au début des années 20. L’insuline animale s’est révélée efficace pour le traitement du diabète et a rapidement été mise à la disposition des patients. Cependant, l’insuline animale n’étant pas identique à l’insuline humaine, les médecins se sont progressive-ment intéressés aux conséquences potentielles de son utilisation à long terme. Quand le nombre de patients diabétiques a continué d’augmenter au milieu des années 70, on a également commencé à se soucier de l’approvisionnement à long terme en insuline d’origine animale. Cela faisait de l’insuline un objet d’étude idéal pour un petit groupe de biochimistes et de biologistes moléculaires qui recherchaient des applications du génie génétique au traitement de maladies humaines.

En 1978, une version synthétique du gène de l’insuline humaine a été développée et introduite dans la bactérie Escherichia coli dans le laboratoire de Herbert Boyer de l’Université de Californie à San Francisco. L’insuline est une protéine, et comme toutes les protéines, elle est faite d’une chaîne d’éléments constitutifs appelés acides aminés. L’ordre de séquence des acides aminés dans une protéine n’est pas arbitraire; il est même unique pour chaque protéine. Lorsque la séquence d’acides aminés est connue, on peut isoler (ou, en l’occurrence, synthétiser chimiquement) la séquence corres-pondante d’ADN et l’introduire dans les cellules de bactéries, qui produiront ensuite la protéine humaine.

Pour y parvenir, on insère d’abord la séquence d’ADN dans un plasmide, un petit anneau d’ADN faisant fonction de vecteur. Le nouveau plasmide «recombinant», qui contient le gène humain, est ensuite introduit dans une autre cellule bactérienne. Sitôt qu’il est dans la cellule, sa structure génétique peut être décodée.

À l’époque, la méthode utilisée par Boyer et ses collègues pour synthétiser un gène était encore inédite. Non seulement cette stratégie est très répandue aujourd’hui, mais d’autres méthodes d’isolation directe ou indirecte d’ADN humain tendent également à se généraliser. Développée en octobre 1982 par Genentech, l’entreprise encore jeune de Boyer, l’insuline humaine recombinante a été le premier produit de la biotechnolo-gie moderne.

Depuis ce premier succès, le contingent de médicaments produits par génie géné-tique connaît une croissance vertigineuse.

Un gène est un segment défini d’acide désoxyribonucléique (ADN) qui contient les informations de base pour la synthèse d’un acide ribonucléique (ARN) biologiquement actif. Ce processus de synthèse (appelé transcription) produit une copie négative du gène sous forme d’ARN. Il existe différents types d’ARN; le plus connu est l’ARN mes-sager (ARNm) à partir duquel une protéine est synthétisée durant le processus de traduction. Cette protéine exerce une fonction éminemment spécifique dans l’organisme. De manière générale, les gènes sont qualifiés de facteurs héréditaires, car ils sont porteurs de l’information génétique transmise à la descendance lors de la reproduction. L’état d’activité d’un gène, c’est-à-dire son taux d’expression, est régulé précisément dans chaque cellule.

L’ADN de nombreux organismes, y compris celui d’animaux, de levures et de champi-gnons, se trouve dans le noyau de la cellule. Ces organismes font partie du groupe des eucaryotes, ce qui signifie qu’ils possèdent un «véritable noyau». Dans les cel-lules eucaryotes, l’ADN est parfois visible sous forme de structures relativement volu-mineuses appelées chromosomes, que l’on peut parfois distinguer au microscope pendant la division cellulaire. Certains chromosomes ont une structure marquée en forme de «X».

Contrairement aux cellules eucaryotes, les cellules bactériennes n’ont pas de noyau défini. De plus, le chromosome bactérien se compose d’une seule grande molécule circulaire d’ADN et non de l’hyperstructure prononcée observée chez les organismes supérieurs. Parce qu’elles sont dépourvues de véritable noyau, les bactéries sont classées dans un groupe d’organismes à part: les procaryotes.

Dans tous les organismes, l’information génétique totale d’une cellule germinale – la somme de tous les gènes – s’appelle le génome.

AMGEN travaille aussi avec les acides nucléiques, mais notre intérêt prioritaire se concentre sur les protéines. Les protéines ont un grand nombre de différentes fonc-tions dans l’organisme: les hormones exercent le rôle de messagers de la cellule, tandis que le cytosquelette forme les éléments structuraux. Les enzymes sont des médiateurs du métabolisme cellulaire, tandis que les anticorps et les lymphokines représentent des composantes importantes de la réponse immunitaire endogène.

Étant donné leur importance biologique, les protéines peuvent être d’excellents can-didats médicaments si nous parvenons à exploiter leurs fonctions naturelles. Les gènes sous forme d’ADN sont nos sources d’informations de base pour la fabrication des protéines souhaitées.

Comme nous l’avons mentionné, les protéines sont codées par des gènes qui, eux-mêmes, sont constitués d’acide désoxyribonucléique (ADN). La propriété particulière de la molécule d’ADN consiste en sa capacité à coder l’ensemble des gènes néces-saires à toute l’expression de la diversité de la vie. La clé de cette capacité tient dans la fameuse structure en double hélice découverte par James D. Watson et Francis H. Crick en 1953.

Cette double hélice est la forme caractéristique de l’ADN, que l’on peut comparer à un escalier en colimaçon. Et, pour reprendre l’analogie de l’échelle, les montants ex-ternes se composent de molécules de sucres et de phosphates, tandis que les éche-lons sont faits de molécules appelées «bases». Un élément structural unitaire, compo-sé d’un sucre, d’un groupe phosphate et d’une base, s’appelle un nucléotide. Sur chaque échelon se trouve une paire de bases liées entre elles par des liaisons chi-miques particulières.

L’ADN contient quatre bases spécifiques: l’adénine (A), la thymine (T), la guanine (G) et la cytosine (C). Ces quatre bases ne peuvent former que deux paires différentes: A-T et G-C. Par conséquent, si l’on connaît la séquence de bases d’un côté (brin) de la molécule, on peut en déduire la séquence du brin opposé.

En décryptant la structure de l’ADN, on s’est rendu compte que l’acide désoxyribonu-cléique était copiable. En d’autres termes, comme l’adénine s’apparie toujours avec la thymine et la guanine toujours avec la cytosine, chaque brin peut servir de modèle à des copies identiques de la molécule. Ce que l’on ne savait pas encore à l’époque, c’est comment une molécule de variabilité limitée – quatre bases seulement – pouvait contenir l’information nécessaire à la création de molécules de type extrêmement divers comme le sont par exemple les protéines.

Le code génétique est la règle biologique selon laquelle une séquence donnée de paires de bases nucléotidiques de l’ADN est traduite en une séquence correspondante d’acides aminés.

Dans l’ADN, les bases nucléotidiques forment un alphabet simple de quatre lettres qui suffisent à coder les 20 acides aminés contenus dans les protéines. Le langage du code génétique est fait de mots codés que l’on appelle codons. Un codon est une séquence de trois bases nucléotidiques qui code un acide aminé déterminé. À pre-mière vue, cet alphabet de différents codons peut sembler limité, mais en combinant quatre lettres trois à trois, on peut générer 64 combinaisons différentes. Le mécanisme fondamental du code génétique est commun à beaucoup d’organismes. Quand une séquence d’acides aminés est connue, il est possible d’isoler la séquence correspon-dante d’ADN et de l’introduire dans un organisme hôte (p. ex. une cellule bactérienne) pour produire la protéine humaine désirée.

La cellule qui synthétise des protéines est confrontée à un problème de «lieu de pro-duction». Alors que la protéine est synthétisée dans le cytoplasme de la cellule, l’information de base de cette synthèse – l’ADN – se trouve dans le noyau. Le problème est résolu par l’intervention d’une molécule intermédiaire, l’acide ribonucléique (ARN), plus particulièrement l’ARN messager (ARNm). L’ARN est un polynucléotide de struc-ture semblable à l’ADN, à trois importantes différences près: le sucre qui le constitue est le ribose et non le désoxyribose; quant aux bases, l’ARN contient de l’uracile (U) au lieu de la thymine (T); et au niveau de la structure, l’ARN possède généralement un seul brin. La synthèse d’ARN messager à partir d’ADN s’appelle transcription; c’est la première étape de la transmission de l’information contenue dans l’ADN. Dans une deuxième étape, l’information génétique transcrite sous forme d’ARNm est traduite en une séquence correspondante d’acides aminés par la formation d’un polypeptide.

Ce processus de traduction requiert la participation d’organelles cellulaires com-plexes, les ribosomes, ainsi que de molécules d’ARN appelées ARN de transfert (ARNt). Les ribosomes ont une fonction de châssis qui maintient l’ARNm en bonne position pour qu’il puisse être lu par les ARNt qui transportent les acides aminés. Dans ce processus, les acides aminés sont reliés l’un à l’autre et forment ainsi la pro-téine telle qu’elle est codée par l’ADN.

Le terme d’«ADN recombinant» désigne le transfert d’un gène ou d’un fragment de gène dans de l’ADN étranger.

Les produits biologiques («biologics» en anglais) sont des substances produites par génie génétique par des cellules vivantes. Pour produire ces médicaments, des gènes humains sont intégrés dans des bactéries ou dans d’autres cellules. Lors de la syn-thèse de la protéine, les informations mémorisées dans les gènes sont lues et la pro-téine constituée par assemblage séquentiel des différents acides aminés. Les gènes lus pour la synthèse des produits biologiques étant d’origine humaine, ces subs-tances sont très largement identiques à celles produites par le corps humain. Pour leurs constructions génétiques, les scientifiques utilisent des «ciseaux» et une «colle». La fonction de «ciseaux» est assurée par des enzymes. Celles-ci permettent de dé-couper des gènes contenus dans un ADN. Les mêmes enzymes sont utilisées pour ouvrir l’ADN cible et le nouveau gène est inséré dans le point de coupure. D’autres enzymes sont alors utilisées comme «colle» pour ressouder les morceaux d’ADN. On choisit des systèmes cellulaires qui se multiplient rapidement et produisent des quan-tités particulièrement abondantes de la substance souhaitée. Ce sont généralement des bactéries ou des cultures de cellules animales/humaines. La croissance des cul-tures a lieu dans des grands réservoirs en acier fin (fermenteurs). Les cellules sont «récoltées» au bout de quelques jours. La protéine est ensuite isolée et nettoyée dans un processus de longe haleine. À la fin du processus, le fabricant dispose de grandes quantités d’une substance de haute qualité. Cela paraît ici relativement simple, mais c’est très complexe en réalité. La fabrication fiable de médicaments par la biotechnolo-gie exige des connaissances spéciales et une expérience de plusieurs années.

AMGEN a développé un programme de recherches performant axé en priorité sur les facteurs de croissance hématopoïétiques.

Les facteurs de croissance hématopoïétiques sont des hormones protéiques pro-duites par le corps pour réguler la formation et la maturation de différentes cellules hématopoïétiques. Les cellules précurseurs, d’abord non différenciées, évoluent en types cellulaires spécifiques telles que les érythrocytes, les leucocytes et les thrombo-cytes. Cette évolution est contrôlée en partie par différents facteurs protéiques. Cer-tains de ces facteurs ont manifestement un rôle très spécifique, tandis que d’autres exercent plutôt des fonctions générales.

AMGEN a exploité les possibilités offertes par le génie génétique pour isoler les gènes de quelques-uns de ces facteurs protéiques. Deux de ces protéines sont l’érythropoïétine et le facteur stimulant les colonies de granulocytes (G-CSF).

L’érythropoïétine est une hormone protéique produite par le rein. Elle stimule les cel-lules précurseurs dans la moelle osseuse et active ainsi la formation d’érythrocytes.

Chez les patients insuffisants rénaux chroniques, il est fréquent que l’érythropoïétine ne puisse plus être produite en quantité suffisante pour maintenir une concentration normale d’érythrocytes dans la circulation. Il s’ensuit que ces patients souffrent géné-ralement d’anémie sévère chronique, c.-à-d. que leur nombre de globules rouges est durablement diminué. Dans certains cas, les patients, en plus d’être dialysés, ont besoin de transfusions fréquentes pour maintenir des concentrations adéquates de globules rouges.

L’anémie associée à une maladie rénale pourrait être traitée si l’on pouvait trouver une «source» externe d’érythropoïétine. Malheureusement, le corps ne produit que des quantités très faibles d’érythropoïétine, de sorte que l’on ne peut envisager d’isoler des quantités suffisantes d’érythropoïétine naturelle pour traiter tous les patients ané-miques. C’est là qu’intervient la technologie de l’ADN recombinant.

Chez AMGEN, un projet de recherche dirigé par le Dr Fu-Kuen Lin avait pour but de cloner le gène de l’érythropoïétine (EPO) humaine. Pour ce faire, l’équipe du Dr Lin a d’abord reçu de l’Université de Chicago, avec laquelle AMGEN collaborait, de très petites quantités d’érythropoïétine humaine. Les scientifiques ont utilisé ce matériel pour déterminer la séquence d’acides aminés d’une partie de la molécule d’érythropoïétine.

Grâce à l’information sur la séquence protéique, le Dr Lin a été en mesure de définir des morceaux d’ADN très courts (appelés oligonucléotides) susceptibles de corres-pondre à la séquence d’ADN de l’érythropoïétine humaine. Parallèlement, des frag-ments d’ADN humain susceptibles de contenir le gène de l’érythropoïétine ont été aléatoirement clonés dans des cellules de bactéries. Il a ensuite utilisé les oligonu-cléotides radiomarqués comme sondes pour identifier les séquences d’érythropoïétine par autoradiographie.

Grâce à cette méthode, le Dr Lin a réussi à isoler le gène de l’érythropoïétine humaine, puis, par des techniques de recombinaison, à introduire la séquence d’ADN codante dans des cellules ovariennes de hamster chinois et à les faire produire la protéine humaine.

La production de médicaments issus des biotechnologies est un processus très com-plexe et onéreux. Cette vidéo explique le procès et désigne les challenges.

Notre compréhension des processus liés à la croissance et à la différenciation cellu-laires s’est constamment étendue au cours des dernières années. Nous espérons que ces progrès génèreront de nouveaux produits pour le traitement de nombreuses ma-ladies. Il faut ajouter à cela que nos connaissances sur les protéines et la structure du DNA n’ont cessé de se développer, si bien qu’il sera possible de créer de nouvelles classes de molécules thérapeutiques dotées de capacités inédites.