STATION 1A Plateforme de séquençage de nouvelle génération

Transcription

1 STATION 1A Plateforme de séquençage de nouvelle génération Dr JACQUES SIMARD Le mandat de cette plateforme est d offrir l expertise à la fine pointe de la technologie afin de générer des données de séquence d'adn et d'arn à très haut débit pour les chercheurs de la région de Québec, leurs collaborateurs et la communauté scientifique Québécoise. Au cours des dernières années, le séquençage de nouvelle génération a définitivement révolutionné le décryptage de l'information génétique (gènes) nécessaire au développement et au fonctionnement d'un organisme vivant en générant des quantités gigantesques de données d'une très grande qualité. La puissance de cette technologie nous permet d'analyser de façon routinière, par exemple, l'intégralité d'un génome, c'est-à-dire, l'ensemble des gènes d'un individu, constitué de 3 milliards d'unités de base (nucléotides) en un temps record, soit environ une trentaine d'heures. Le décryptage du premier génome humain, qui s'est terminé en 2003, a pris près de 13 ans. La plateforme de séquençage de nouvelle génération compte plusieurs types de séquenceurs dont la capacité de production varie entre 10 et 120 milliards de nucléotides en moins de 30 heures, et peut atteindre une production phénoménale de milliards de nucléotides en 12 jours soit le séquençage de plusieurs dizaines de génomes humains simultanément. La plateforme est également robotisée afin de permettre la préparation de centaines d'échantillons à la fois. Les avancées des équipements de pointe en génomique ouvrent incontestablement de nouvelles voies pour la recherche permettant l'étude de mécanismes complexes tels que le décryptage des génomes d'une multitude d'organismes vivants (humains, animaux, plantes, microbes), l'analyse de l'information génétique d'un échantillon issu d'un environnement complexe trouvé dans la nature (intestin, océan, sols, etc.), la compréhension des mécanismes qui régissent le fonctionnement d'une cellule, etc. Les applications de ces recherches seront bénéfiques dans le domaine de la santé, par exemple en soins de santé personnalisés où l'identification des éléments génétiques distinctifs des individus peut permettre de les regrouper selon leur susceptibilité à une maladie particulière ou à leur réaction à la suite d un traitement précis. Par exemple en infectiologie pour contrôler les agents infectieux responsables d'épidémies émergentes ou encore en oncologie pour l identification de marqueurs ou de profils génétiques à risque. Cela permettra non seulement de développer de nouveaux tests diagnostiques afin d'améliorer la thérapie, mais facilitera aussi la prévention des maladies qu'il sera alors possible de prédire. La baisse impressionnante des coûts de séquençage observés depuis 10 ans, couplée à une infrastructure et des analyses bioinformatiques de pointe, permet à court terme d envisager une utilisation de ces technologies directement pour les patients. Les applications de ces recherches seront également bénéfiques dans de nombreux autres secteurs des sciences de la vie, tels que l environnement, la foresterie et l agriculture.

2 STATION 1B Plateforme de Bioinformatique / Biologie computationnelle Dr ARNAUD DROIT, représenté par Mme ASTRID DESCHÊNES La plateforme de Bioinformatique / Biologie computationnelle met à la disposition de la communauté scientifique de la région de Québec, l espace, l infrastructure et les moyens de calculs informatiques afin de compiler, comprendre, interpréter et analyser les masses de résultats complexes générés avec les nouvelles technologies d analyse à haut débit, telles que la spectrométrie de masse des protéines et les séquenceurs d ADN de nouvelle génération. La plateforme de bioinformatique du Centre de génomique du Centre de recherche du CHU de Québec travaille en étroite collaboration avec les infrastructures de Calcul Québec, dont le supercalculateur Colosse, situé à l Université Laval, afin d optimiser les programmes d analyses, de faciliter le flux des données, de partager l espace de données et de bénéficier des accès les plus optimaux aux temps de calculs des infrastructures de hautes capacités. De nombreuses étapes de traitements et d analyses de données sont indispensables avant que le chercheur puisse exploiter les résultats. Il est maintenant établi que la Bioinformatique / Biologie computationelle représente un secteur novateur stratégique essentiel pour le développement de la biologie et de la médecine de demain. Leurs expertises permettent ainsi de gérer les volumineuses quantités de données générées, d analyser et d interpréter biologiquement les résultats. Ainsi, l intégration de cette diversité d informations (génomique, transcriptomique, protéomique) a amené le développement d un nouveau champ de recherche dans la compréhension des système biologiques in silico : la biologie des systèmes.

3 STATION 2 Plateforme de Protéomique Dr ARNAUD DROIT La plateforme de protéomique offre aux chercheurs une expertise, des approches et stratégies de pointe pour l'identification, la quantification et l analyse des protéines. Cette science est appelée protéomique. Alors que l ADN est le support de l information de la cellule, les protéines et les complexes qu elles forment sont les principaux acteurs du vivant. Une protéine défectueuse, ou encore une protéine en trop ou en moins peut faire toute la différence entre la santé et la maladie. Un des principaux défis de la protéomique est de pouvoir détecter des protéines en faible quantité dans un milieu très complexe comme le sang, le sérum, l'urine ou les tissus. L'outil central de la protéomique est le spectromètre de masse. Ces instruments sensibles et rapides peuvent détecter et quantifier avec précision des milliers de protéines différentes. Ainsi, avec les instruments de dernière génération que le Centre de recherche du CHU de Québec vient d acquérir, les identifications sont passées d une protéine par jour, il y a 20 ans à plus de protéines par jour aujourd'hui. L'analyse des protéines par spectrométrie de masse apporte une meilleure compréhension des modifications que celles-ci subissent afin de déterminer leur rôle physiologique, ainsi que dans le développement des pathologies. Entre autres, la plateforme collabore étroitement avec les scientifiques sur la compréhension des mécanismes du cancer, des maladies cardio-vasculaires, des maladies infectieuses et des maladies neurodégénératives. Les résultats issus des analyses protéomiques aident à la découverte de nouveaux mécanismes biologiques permettant le développement de nouvelles approches thérapeutiques dans le traitement des maladies et dans leur détection et prévention.

4 STATION 3 Plateforme de biopuces et nanofluidique Dr MICHEL G. BERGERON FICHES TECHNIQUES Le mandat de cette plateforme est de permettre de fabriquer, tester et utiliser des outils d analyse compacts et performants appelés laboratoires sur puce. Les analyses de laboratoires utilisées pour détecter et quantifier les molécules de la vie (ADN, protéines, métabolites tels le sucre) sont essentielles autant pour les chercheurs que pour les médecins. Les tests de laboratoire traditionnels requièrent la manipulation souvent complexe de liquides biologiques et réactifs, soit par du personnel hautement qualifié ou encore par des robots souvent de taille imposante. Les volumes manipulés se mesurent en millilitres ou en dixième de millilitres. Tout cela contribue à éloigner ces tests du site des travaux de recherche ou encore du chevet du patient. Les coûts et surtout la rapidité des résultats en souffrent. On sait maintenant manipuler de manière automatique des volumes très petits de l ordre du nanolitre, soit un millionième de millilitre. Grâce à ces très petits volumes on peut faire les tests plus rapidement, en plus grands nombres et avec un meilleur rapport coût/efficacité. Les équipements de la plateforme de biopuces et nanofluidique comprennent un robot capable de déposer par contact des volumes de 0,5 nanolitre (un demi-milliardième de litre!) d ADN pour créer des laboratoires sur puces qui servent à l analyse et au diagnostic des maladies. Une micro-imprimante 3D permet de produire rapidement des pièces de plastique utilisées dans des prototypes d instruments et dispositifs analytiques de même que des modèles de virus et de protéines utilisés pour l enseignement. Les dispositifs d amplification et de détection d ADN sont d une extrême sensibilité, quelques molécules d ADN, souvent moins de 10, peuvent être analysées. C est pourquoi les locaux sont conçus pour éviter toute contamination et que l infrastructure comprend des enceintes de confinement biologique qui permettent de manipuler la majorité des agents pathogènes tels les bactéries et virus. En combinant les informations obtenues par le séquençage des génomes avec des laboratoires sur puces, il est possible d analyser simultanément des milliers de gènes et de mutations pour faciliter les recherches sur les maladies ou encore détecter directement les signatures génétiques des microbes responsables d infections. Cette plateforme supporte les activités de recherche académiques et sert aussi à des projets en partenariat avec l industrie. Par exemple, la plateforme de laboratoires sur puces et nanofluidique a servi à développer, dans le cadre de PPP, un nouvel instrument médical portable pour le diagnostic des infections au chevet des patients en moins d une heure. En 2013, cette technologie a permis à une firme de Québec de remporter le prix de meilleure compagnie de diagnostic moléculaire en Amérique du nord.

5 EXEMPLE 1 Maladies infectieuses et immunitaires L infrastructure du Centre de Génomique du CHU de Québec servira de tremplin pour découvrir de nouveaux marqueurs diagnostiques, pronostiques et thérapeutiques dans de nombreux projets rattachés au monde des maladies infectieuses, notamment la pneumonie, le SIDA et certaines maladies parasitaires telles la malaria et la leishmaniose qui touchent des millions de personnes à travers le monde et de nombreux voyageurs et militaires canadiens en déplacement dans les zones endémiques. Pour bon nombre de ces maladies, les microbes ont développé certains mécanismes de résistance pour contrecarrer l action des médicaments présentement utilisés en clinique et il est donc primordial de mieux comprendre ces mécanismes afin de développer de meilleurs outils diagnostiques, pronostiques et thérapeutiques. Les plateformes «Omics» (génomique, transcriptomique et métabolomique) du Centre de génomique du CHU accéléreront ces percées scientifiques d envergure qui trouveront leur finalité par une meilleure prise en charge des patients et le développement de vaccins. Ces plateformes supportent les activités des chercheurs du CHU de Québec et servent aussi à des projets en partenariat avec d autres centres, de même qu avec l industrie. Par exemple, la plateforme de laboratoires sur puces et microfluidique a permis de développer, dans le cadre de PPP, un nouvel instrument médical portable pour le diagnostic rapide des infections au chevet des patients. En 2013, cet instrument a permis à une firme de Québec de remporter le prix de meilleure compagnie de diagnostic moléculaire en Amérique du nord.

6 EXEMPLE 2 Profil génomique et cancer du sein Dr JACQUES R. SIMARD Plusieurs évidences suggèrent l implication d une susceptibilité génétique dans le développement de la grande majorité des cas de cancers du sein. L identification des facteurs sous-jacents à cette susceptibilité est donc cruciale afin d optimiser le potentiel des modèles de prédiction du risque, favorisant l identification des femmes les plus susceptibles de développer la maladie et pouvant bénéficier le plus des interventions de prévention et de réduction du risque. Cette approche de stratification du risque serait surtout bénéfique chez les femmes plus jeunes, soit de 35 à 49 ans, qui sont à risque élevé et qui échappent présentement au programme de dépistage classique. Le programme de recherche du Dr Simard bénéficiera grandement des différentes plateformes du Centre de Génomique du Centre de Recherche du CHU de Québec. En effet, les variations génétiques prédisposant au développement du cancer peuvent être identifiées par le biais de diverses approches à haut débit, telles que les études de génotypage pangénomiques, le séquençage d exomes et de génomes, et le séquençage ciblé de gènes. En ce sens, les résultats d une récente étude internationale impliquant le Dr Simard, menée auprès de femmes provenant de 30 pays, indiquent que plusieurs centaines de variants génétiques restent à être identifiés. L objectif au cours de la prochaine année est de valider ces résultats chez plus de femmes à l aide d un projet de génotypage à haut débit. De plus, le projet du Dr Simard implique l utilisation de technologie de séquençage de nouvelle génération sur des milliers d échantillons pour identifier de nouveaux gènes de susceptibilité au cancer du sein. Les gènes et variants génétiques identifiés au cours du projet et associés à un risque de développer la maladie seront ensuite utilisés dans le développement d un profil de risque génétique, qui facilitera l identification des femmes à risque accru de la maladie permettant ainsi une prise en charge précoce et des interventions de réduction du risque adaptées.

7 EXEMPLE 3 Facteurs génétiques et épigénétiques associés aux complications métaboliques de l obésité Dre MARIE-CLAUDE VOHL L obésité atteint des proportions épidémiques. Certains individus obèses demeurent en bonne santé métabolique, tandis que d autres accusent un risque élevé de maladies cardiovasculaires. Cette hétérogénéité est en partie expliquée par des facteurs génétiques et environnementaux. Nous avons mis en relation les niveaux d expression des gènes exprimés dans le tissu adipeux et les complications métaboliques liées à l obésité. Nous avons également découvert que les mutations de ces gènes ne suffisent pas, à elles seules, à expliquer les différents niveaux de risque observés entre les individus obèses. À ces mutations s ajoutent des facteurs épigénétiques. D ailleurs, ces facteurs épigénétiques pourraient expliquer l impact que peut avoir le poids corporel de la femme enceinte sur la santé métabolique future de l enfant. Compte tenu des conséquences économiques et sociales de l obésité, il est urgent d identifier les effets d interactions gènes-environnement qui modulent les complications métaboliques associées à l obésité. Une meilleure connaissance des effets d interactions gènes-environnement et des facteurs génétiques et épigénétiques associés à un risque accru de maladies cardiovasculaires chez les individus obèses permettra d optimiser les approches préventives de ces maladies chroniques sociétales.

8 EXEMPLE 4 Plateforme de shrnas : Identification des gènes de résistance aux agents chimiothérapeutiques Dr STÉPHANE GOBEIL L interférence ARN (iarn) est une méthode qui permet de réduire l expression d un gène afin d en étudier sa fonction. Les shrnas sont de petites pièces d ADN servant à faire de l iarn. La plateforme de shrnas possède deux banques de shrnas permettant d étudier le rôle de chaque gène des génomes humain et murin. Ce type d outil est utile pour identifier les gènes impliqués dans des pathologies comme le cancer, les maladies infectieuses ou neurodégénératives. Par exemple, comprendre et combattre la résistance des cellules cancéreuses aux agents chimiothérapeutiques est un enjeu majeur de la lutte contre le cancer. Grâce aux banques de shrnas et au séquençage à haut débit, nous pourrons identifier les gènes en cause et comprendre comment le cancer devient résistant aux traitements anticancéreux. Les données générées par la plateforme de shrnas serviront à identifier des cibles thérapeutiques qui pourront par la suite aider à développer des médicaments spécifiques. Ceci pourrait concrètement mener à l amélioration de la qualité de vie des patients.

9 EXEMPLE 5 Maladies hépatobiliaires autoimmunes Dr OLIVIER BARBIER Les plus récentes technologies disponibles au Centre de génomique du Centre de recherche du CHU de Québec, alliées à une expertise unique au Canada, permettent au groupe du Dr Barbier de mener des recherches de pointe dans l étude et le traitement des maladies hépatobiliaires autoimmunes (i.e. cirrhoses inflammatoires). Ainsi, à partir d analyses de bioinformatique et en progressant à travers le continuum «OMIC» (génomique, transcriptomique et métabolomique), les travaux de ce laboratoire ont permis d offrir de nouvelles options pharmacologiques pour le traitement des patients (Trottier et al. Clin Pharmacol Ther & 2013). De plus, en mettant sa capacité de profilage métabolomique sanguin au service de collaborateurs locaux, nationaux et internationaux, le laboratoire contribue à : modifier les lignes directrices dans le traitement des maladies hépatobiliaires autoimmunes (Wunsch et al. Hepatology 2014; editorial: Tabibian&Lindor Hepatology 2014); identifier de nouvelles cibles thérapeutiques pour le traitement du cancer de la prostate (Grosse et al. Can. Res. 2013); décrypter les mécanismes liés aux effets secondaires d agents anti-cancéreux (Chen et al. PNAS 2013); identifier les composantes actives de suppléments nutritionnels (Rudkowska et al. J Nutr Biochem. 2013). Pour en savoir plus :

10 EXEMPLE 6 Plateforme du laboratoire de bioconfinement de niveau 3 et la génomique pour étudies les interactions hôte-pathogène Dr MICHEL J. TREMBLAY Les activités de recherche avec le virus d immunodéficience humaine (VIH), l agent causal du SIDA, nécessitent l utilisation d infrastructures qui respectent des normes particulières de sécurité. Le Centre de recherche du CHU de Québec a inauguré de nouvelles installations à la fine pointe de la technologie et qui sont dédiées pour les expérimentations avec des agents pathogènes comme le VIH. La plateforme du laboratoire de bioconfinement de niveau 3 permet de travailler avec des microorganismes pathogènes comme le VIH et ce, dans un environnement sécuritaire pour le manipulateur. Notre équipe de recherche s intéresse à faire la lumière sur les interactions complexes que le VIH peut établir avec certaines de ses cibles préférentielles, à savoir le lymphocyte T auxillaire et le macrophage. Les outils de génomique (ex. biopuces à ADN et RNA-seq) lorsque couplés à la bioinformatique permettent d obtenir le profil d expression des gènes qui est initié par le VIH dans les principaux réservoirs cellulaires du virus. Ce travail permet d identifier les gènes de susceptibilité ou résistance qui peuvent affecter le cycle de vie du VIH. Les approches expérimentales qui sont utilisées pourraient paver la voie à la découverte de nouvelles stratégies thérapeutiques pour contrôler la réplication du VIH, tout en diminuant la toxicité et l émergence de souches virales résistantes.