Imaginez une cellule vivante comme s'il s'agissait d'une ville. Si vous étiez le planificateur urbain de cette ville (très peu, très vivante), l'une des choses que vous auriez à décider est de savoir comment allouer de l'espace à différentes utilisations fonctionnelles.
Certaines parties de la ville doivent être zonées à usage résidentiel, par exemple, tandis que d'autres doivent être zonées industrielles; En même temps, vous devez mettre la poubelle quelque part. Idéalement, toutes ces activités essentielles devraient être compartimentées afin qu'elles ne gênent pas les autres.
À mesure qu'une ville se développe, ses différents compartiments doivent également croître. Cela est également vrai dans une cellule vivante. Mais toutes les pièces poussent-elles au même rythme? Comment affectez-vous les ressources pour se développer?
Jusqu'à présent, les scientifiques ont eu très peu de visibilité sur la façon dont la cellule organise et priorise la croissance de ses compartiments: les structures fonctionnelles appelées organites. Cela comprend certains des organites les plus familiers comme le noyau de la cellule ou ses usines d'énergie de mitochondries.
Une nouvelle étude dirigée par Shankar Mukherji, professeur adjoint de physique en arts et sciences de l'Université de Washington à St. Louis, est l'une des premières à adopter une approche de systèmes pour mesurer et interpréter les changements qui se produisent dans les organites à mesure que les cellules vivantes se développent. Son équipe a mené leurs recherches, publiées le 6 juin en Systèmes cellulaires en utilisant des cellules de levure arc-en-ciel comme système d'étude.
Nous avons utilisé une technologie connue sous le nom d'imagerie hyperspectrale, qui nous permet d'étiqueter pratiquement tous les principaux organites de la cellule afin que nous puissions observer directement comment la cellule alloue l'espace à ces compartiments. «
Shankar Mukherji, professeur adjoint de physique en arts et sciences à l'Université de Washington à St. Louis
Bien que son équipe n'ait pas inventé l'imagerie hyperspectrale, a déclaré Mukherji, ils sont parmi les premiers chercheurs à l'appliquer à la compréhension de la croissance cellulaire.
La nouvelle approche leur a permis de visualiser simultanément six principaux organites métaboliquement actifs. Plutôt que de regarder des corrélations simples ou par paires entre les organites, comme cela avait été fait dans le passé, les physiciens pouvaient installer leurs expériences, puis laisser les données leur dire ce qui se passait avec tous les organites à la fois.
« En utilisant des techniques de la science des données, nous pouvions voir comment les cellules se sont modelées en termes d'espace pour les organites car nous avons changé les conditions dans lesquelles ils ont été cultivés ou lorsque nous avons changé leurs voies de signalisation », a déclaré Mukherji.
Mukherji espère que la méthodologie qu'ils ont développée – et le nouveau cadre de théorie mathématique que son groupe a construit dans le cadre de cette analyse – aidera les autres à étudier comment les cellules régulent le métabolisme et la croissance, ce qui est important dans la santé et la maladie.
Faire de l'espace
Les scientifiques ont découvert que certains organites dans une cellule se développent plus rapidement que d'autres.
« La cellule doit faire quelque chose d'intelligent pour permettre aux compartiments de croître, mais pas au même rythme », a déclaré Mukherji. « Fondamentalement, il sélectionnera certains organites sur d'autres, afin de répondre aux demandes métaboliques accrues. »
Ils ont également observé qu'un organite particulier, la vacuole, semble avoir un rôle démesuré en aidant la cellule à se développer à un rythme régulier dans un environnement constant.
« La vacuole semble être vraiment bonne pour tamponner la cellule contre le hasard », a déclaré Mukherji. « Dans le même temps, si la cellule doit réellement changer son taux de croissance – parce que son environnement change ou quelque chose – alors c'est l'organelle qui semble répondre de la bonne manière.
Enfin, les chercheurs ont examiné ce que leurs données leur ont dit de ce qui déclenche des changements dans la croissance des organites.
« Avec tous les cerceaux que nous avons fait sauter les cellules, il s'avère que le modèle de croissance des organiles qui est déclenché par des changements de taille de cellule est totalement différent du modèle de croissance des organiles déclenchée par les changements du seul taux de croissance », a déclaré Mukherji.
Cela compte, car cela pourrait aider à expliquer pourquoi les cellules eucaryotes sont si flexibles en termes de la façon dont leurs tailles et les taux auxquels ils se développent et se métabolisent sont liés.
« Si les demandes concurrentes de la taille et du taux de croissance peuvent être communiquées indépendamment à la cellule dans son ensemble, il est peut-être plus facile pour le système dans son ensemble d'équilibrer ces demandes concurrentes », a-t-il déclaré.
En tant qu'étape suivante, Mukherji et son équipe prévoient d'utiliser ces mêmes idées pour caractériser les cellules humaines. « Il est possible que nous constatons que la relation normale entre le profil d'organelle d'une cellule, sa taille et sa croissance et ses propriétés métaboliques deviennent anormales dans les troubles qui présentent un métabolisme anormal, du cancer au diabète en passant par les maladies immunologiques », a-t-il déclaré. « Que nous puissions découvrir ces modèles – et s'ils ne sont que diagnostiques, pronostiques ou sous-tendent la maladie – est quelque chose sur lequel nous sommes ravis de travailler! »
