LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone, 27 bvd

LA METABOLOMIQUE Un nouvel horizon pour les sciences biomédicales

Jean-Charles Martin, UMR INSERM 476/INRA 1260, Faculté de Médecine La Timone,

27 bvd Jean Moulin, 13 680 Marseille

[email protected]

Mesures des perturbations physiopathologiques= multifactorielles

Décrire des systèmes complexes en utilisant des caractéristiques moléculaires illimitées et inattendues

Approches « omiques »

Décrire des systèmes complexes en utilisant des caractéristiques moléculaires réductrices et ciblées

Approches conventionnelles

D’après Bruce German, UCDA

« La mesure quantitative de la réponse métabolique dynamique multiparamétrique des organismes vivants à des stimuli pathophysiologiques ou à des modifications génétiques »

metaboLomique et métaboNomique

Empreintes métaboliques basées sur des déterminations exhaustives

Description/désignation des changements métaboliques

Métabolomique/métabonomique

• donne la description détaillée de la composition en métabolites des biofluides, des cellules et des tissus

• détecte les perturbations (stress, physiopathologie) d’entités métaboliques spécifiques et les relie à des processus, voies ou mécanismes biochimiques utilisables pour:

• fonction de gènes• études toxicologiques/pharmacologiques• diagnostic / prévention des maladies• nutrition

Approche globale: réponse analytique pour aborder la complexité

Sang, urines, extrait tissulaire

MVAbioinformatic

Data acquisition

Platforms:NMR

LC/MSGC/MS

Data mining

Acquisition des Données (1 pic = 1 variable)

Réduction des données

Analyse statistiqueMultivariée (espace 2D ou 3D)

(chimiometrie)

interprêtation

(PCA, PLS-DA,…)

Comparaison de groupes:appartenance aux classes

Diagnostic individuel:prédiction

Identification biomarqueurs discriminants

observations

Seconde composante principale

Première composante principale

Axe de la déviation max

Orthogonale à CP1:Max de variance

CP2

CP1

CP2

CP1

CP2

CP1

variables

V2 V3V1

CP1

CP2Carte des observations:Score plot

CP2

CP1

Carte des variables:loading plot

Hydroxyphenylpropionyl-acidCholate

Progesterone metabolitesEstrogen metabolites

Trimethyl-amine oxideN-acetylglycoproteins

Hydroxyphenylpropionyl acid sulfate

Stanley, anal biochem, 2005

HippurateBetaineGlycineTaurineTrimethyl-N-oxide2-oxo-glutarateN-acetylglycoproteins

CreatineGlucose

CreatinineDimethylglycine

Citratesuccinate

Bollard, ME, NMR Biomed, 2005

Metabolome urinaire (RMN): toxicité à l’hydrazine

rats

sourisBollard, ME, NMR Biomed, 2005

Mesure des trajectoires et distances métaboliques

Coen M,. J Pharm Biomed Anal. 2004;35:93-105.

Intoxication paracétamol (500 mg/kg)/metabolome hépatique

Dysfonctionnement énergétique cellulaire

Diminution glucose/glycogèneAugmentation lactate/acetate/alanine

accumulation lipides

Glycogènolyse/glycolyse

Diminution b-oxydation

Régimes riches en graisses et insulino-résistance

Dumas ME, et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;103:12511-6.

•Oxidative Metabolism and Glycolysis – 8–D-mannose-6-P, gluconate (2)D-ribulose-5-P (1)citrate, malate (2)– Other sugars (2)–acetophenone (1)•Fatty Acids – 12– Fatty Acids (12)•Amino Acid Metabolism - 8– threonine, tryptophan– aspartate, glutamine, glycine– Amino acid degradants / precursors (3)•Purine and pyrimidines - 3•Vitamins - 1•Unknowns - 49

Safety/Toxicity Biomarkers for Marketed HIV Drugs

X 12 semaines

0

1

2

3

4

5

6

7

ac

cu

mu

lati

on

re

lati

ve

d

es

EC

da

ns

l’a

ort

e

C végétal

a

croq

b

C lait cru

c

C oléine

c

C lait hiver

c

beurre

d

R2 = 0,42

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 2 4 6

NonHDL-/HDL-C

CE

dep

ost

ion

in

th

e ao

rta

(mg

/g)

C lait cruC végétalC oléineC standardbeurrecroq

CR CVCOCS butter Ctrl

Analyse PLS-DA

-10

-5

0

-20 -10 0 10 20

t[2

]

croquettes

C. Végétalc. lait cru

c. lait standard

c. oléine

Beurre

1,5

1,6

1,7

1,8

"V7

71

""V

77

0"

"V7

42

""V

76

7"

"V7

41

"

Sco

re C

on

trib

(Ob

s G

rou

p -

Ave

rag

e), W

eig

ht=

w*1

w*2

2,32,42,52,62,72,82,93,03,13,23,33,43,5

"V8

15

""V

68

7"

"V8

16

""V

56

5"

"V6

99

"Sco

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on

trib

(Ob

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p

- A

vera

ge)

, W

eig

ht=

w*1

w*2

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

"V6

56

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60

1"

"V6

26

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59

9"

"V6

00

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52

6"S

core

Co

ntr

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bs

Gro

up

-

Ave

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eig

ht=

w*1

w*2

5

102,1

2,2

2,3

2,4

"V5

94

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52

4"

"V5

71

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52

0"

"V4

86

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48

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"V5

93

"

Sco

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on

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, Wei

gh

t=w

*1w

*2

2,8

2,9

3,0

3,1

3,2

3,3

3,4

3,5

"V6

96

""V

69

5"

"V7

69

""V

80

8"

"V8

09

""V

77

0"

"V6

74

"

Sco

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on

trib

(Ob

s G

rou

p-

Ob

s G

rou

p),

Wei

gh

t=w

*1w

*2

1,4

1,5

1,6

"V7

37

""V

73

8"

"V7

62

""V

69

5"

"V6

94

""V

76

1"

"V7

36

"

Sco

re C

on

trib

(Ob

s G

rou

p -

Ave

rag

e),

Wei

gh

t=w

*1w

*2

Analyse PLS

R2X[1] = 0,367771

-40

-30

-20

-10

0

10

20

u[1

]

-10 0 10

t[1]

c. Lait standard

L41L42

L44

L45L46

L47L48

R2=0,62

L61

L62

L63

L64L65

L66

L67

L68

croquettes

L26

L21L23

L25

L28

C. végétal

L11L12

L13

L14L16

L17

C. lait cru

L31L32

L33L34L35

L38

c. oléine

L52 L53

L54

L55

L56 L57L58

MG lait standard

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 2 4 6

NonHDL-/HDL-C

CE

dep

ost

ion

in

th

e ao

rta

(mg

/g)

R2=0.42

CR

CVCO CS butte

r

Ctrl

VIP

rank

athe

roge

nic st

atus

ident

ificat

ion

B

Albumin-lysyl

Albumin-lysylCreatine

citrate + C=CCH2C=Clipids

GlycerolAlanine

TMAOGlycerolglutamineProline

VLDL-lipids/lactate/ + CH2CH2CH2CO + cholesterol

N-acetyl-glycoproteins

VLDL (CH3CH2CH2C=)

1

2

34

5

6

7

8

9

10

1213

14

15

151617

18

11

19

2021

pro-

anti-

0 2.13-2.13

citrate +C=CCH2C=C lipids

inflammation

Lipides athérogènes

Clairance lipidesnéoglucogenèse

Lipides antiathérogènes

Métabolisme aérobie

Microbiote intestinale

Stress oxydant faible

Métabolisme énergétiquemusculaire

Ctrl beurre CV CS CR CO

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

Mea

nN

MR

val

ues

anti

a

bb c

d

epro

a a

b

ccc

Ctrl beurre CV CS CR CO

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

Mea

nN

MR

val

ues

anti

a

bb c

d

epro

a a

b

ccc

-10

-5

0

-20 -10 0 10 20

t[2

]

croquettes

C. Végétalc. lait cru

c. lait standard

c. oléine

beurre

High atherogenic outcome

•Atherogenic particles (VLDL > LDL) •Inflammation

Low atherogenic outcome

•Amino-acid metabolism •Low oxidative stress• blood lipid clearance• Muscle energy metabolism• Intestinal microbiotope metabolism

Dietary rythm # 1Dietary rythm #2

Metabolomic approach:LC/MS analysis of plasma

5928 ions/observations2 groups of 7-11

individuals

151 metabolites

150 metabolitesAim: effect of 2 dietary rythms toward cardiovascular risk factors in human volonteers

Fasting plasma

Conventional approach = no

differences among diets

-10

0

10

-14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

t[2]

t[1]

Data Metalign 146010_INRA_positif_OSC.M2 (PLS-DA)t[Comp. 1]/t[Comp. 2]Colored according to classes in M2

R2X[1] = 0,0666516 R2X[2] = 0,132615 Ellipse: Hotelling T2 (0,95)

Class 1Class 2Class 3

colza_04

colza_07

colza_10

colza_14colza_17

colza_20colza_24

colza_27

colza_30

colza_33

colza_37

colza_40

colza_43

colza_47

colza_50colza_53

colza_56soja_02

soja_05

soja_08

soja_11

soja_15

soja_18soja_21

soja_25

soja_28

soja_31

soja_35

soja_38

soja_41

soja_44

soja_48

soja_51soja_54

oleisol_03

oleisol_06

oleisol_09

oleisol_13

oleisol_16oleisol_19

oleisol_22


oleisol_32

oleisol_36

oleisol_39

oleisol_42

oleisol_46

oleisol_49


SIMCA-P 11 - 11/07/2007 12:14:08

Ions caractéristiques « soja »

-2

-1

0

1

2

100 200 300 400 500 600

Sco

re C

ontr

ib(O

bs G

roup

- A

vera

ge),

Wei

ght=

w*1

w*2

Data Metalign 146010_INRA_positif_OSC.M2 (PLS-DA)Score Contrib(Obs Group - Average), Weight=w*[1]w*[2]

SIMCA-P 11 - 11/07/2007 12:45:38

m/z

-3

-2

-1

0

1

2

100 200 300 400 500 600

Sco

re C

ontr

ib(O

bs G

roup

- A

vera

ge),

Wei

ght=

w*1

w*2


SIMCA-P 11 - 11/07/2007 12:37:05

Ions caractéristiques « oléisol »

m/z

Ions caractéristiques « colza »

-2

-1

0

1

2

3

100 200 300 400 500 600

Sco

re C

ontr

ib(O

bs G

roup

- A

vera

ge),

Wei

ght=

w*1

w*2


SIMCA-P 11 - 11/07/2007 12:49:46

Métabolome sainMétabolome sain

Métabolome maladeMétabolome maladeIndividu Individu diagnostic

Marqueursprécoces

Marqueursdescriptifs

Marqueurspronostic

MétabolomeMétabolome sainsain

MétabolomeMétabolomemalademalade

Temps

Fluctuationsphysiologiques

Fluctuationspathologiques

Métabolome sainMétabolome sainMétabolome maladeMétabolome malade

Pathologie/Stress

traitement

Ciblesmoléculaires

classification

Caractéristiques métaboliques prédictives….

•Gain/perte de poids

•Hypo/hyper-répondeurs:

Identification des causes génétiques

adaptation des traitements au niveau individuel

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