Grâce à la cryomicroscopie électronique, des chercheurs du Centre Max Delbrück ont révélé comment les canaux calciques des cellules musculaires s’ouvrent de manière synchrone. Les résultats, publiés dans « Nature Communications », pourraient expliquer un mécanisme à l’origine de maladies musculaires graves.
Chaque pas que nous faisons commence par une explosion de calcium dans nos cellules musculaires, provoquant leur contraction. Pour se préparer à l’action, les cellules maintiennent le calcium enfermé dans un compartiment interne, le réticulum sarcoplasmique. Sa membrane est recouverte de milliers de canaux RyR1 – les plus grands canaux ioniques connus – qui contiennent des pores qui libèrent le calcium. Pour qu’un muscle se contracte correctement, les canaux RyR1 doivent s’ouvrir de manière synchrone via un mécanisme appelé « gate couplé ». La manière dont ils y parviennent n’est pas claire depuis sa description il y a près de 30 ans.
Une équipe dirigée par le Dr Vasilii Mikirtumov, ancien doctorant au laboratoire de biologie structurale in situ du Dr Misha Kudryashev au Centre Max Delbrück, a maintenant capturé les premières images 3D haute résolution de RyR1 à six étapes d’ouverture à l’intérieur de la membrane intacte du réticulum sarcoplasmique. Le travail est publié dans « Nature Communications ».
Bien que la structure de RyR1 ait déjà été décrite, des études antérieures utilisaient des canaux retirés de la membrane. Au lieu de cela, le laboratoire Kudryashev a étudié la structure de RyR1 dans son environnement naturel en utilisant les techniques d’imagerie avancées de cryomicroscopie électronique et de tomographie. « Parce que RyR1 est une protéine membranaire, vous devez l’extraire avec des détergents pour la purifier. Mais cet environnement peut perturber une protéine aussi sensible », explique Mikirtumov, qui est maintenant chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Christian Spahn à la Charité – Universitätsmedizin Berlin. « Nous voulions capturer la structure du canal dans sa membrane native et découvrir si son mécanisme d’ouverture y est différent. »
Les chercheurs ont découvert que c’était le cas. Les images montrent que les canaux voisins restent en contact les uns avec les autres lors du passage de l’état fermé à l’état ouvert. Ce contact, ou interface, assure la médiation du déclenchement couplé : lorsqu’un canal s’ouvre en rotation, il met à rude épreuve l’interface avec son voisin, ce qui facilite également la rotation et l’ouverture de ce canal.
C’est comme les rouages d’une horloge. Une fois qu’un rouage tourne, il incite ses voisins à tourner également. »
Dr Misha Kudryashev, auteur principal de l’article, Centre Max Delbrück
Six instantanés d’une chaîne d’ouverture
L’équipe a isolé le réticulum sarcoplasmique du muscle de lapin et l’a photographié au Core Facility for Cryo-Electron Microscopy, géré conjointement par la Charité – Universitätsmedizin Berlin, le Max Delbrück Center et le Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP). Le laboratoire Kudryashev possède une expertise spécialisée en cryomicroscopie électronique et en tomographie ainsi que les outils informatiques nécessaires pour analyser les données obtenues.
« Nous projetons des électrons à travers l’échantillon et prenons des milliers de photos, chacune contenant de nombreuses copies de la même protéine », explique Mikirtumov. « Ensuite, nous faisons la moyenne de tous ces éléments, ce qui nous donne une reconstruction 3D haute résolution. »
En ajoutant de petites molécules pour initier l’ouverture du canal, les chercheurs ont détecté RyR1 à six étapes entre complètement fermé et complètement ouvert. La comparaison des structures a révélé le mouvement d’ouverture complet : la partie extérieure volumineuse tourne dans le plan de la membrane, comme si on tournait l’anneau d’un objectif d’appareil photo, tandis que le pore du canal s’élargit jusqu’à environ deux fois sa largeur d’origine.
À l’aide de la tomographie cryoélectronique, l’équipe a également photographié des paires de canaux voisins à cinq étapes d’ouverture. Ils ont découvert que les canaux voisins étaient plus susceptibles d’être synchronisés et que deux canaux fermés en interaction étaient plus stables que deux canaux fermés isolés. Ces résultats soutiennent le déclenchement couplé et suggèrent que les canaux se maintiennent fermés.
Une cible pour traiter les maladies musculaires
Les mutations du gène RYR1 provoquent une hyperthermie maligne, une réaction potentiellement mortelle à certains anesthésiques, et des myopathies congénitales qui affaiblissent les muscles. Beaucoup de ces mutations modifient le canal exactement là où il touche son voisin.
« Beaucoup de ces mutations ne semblent pas affecter la manière dont un seul canal s’ouvre, mais plutôt la façon dont les canaux coopèrent avec leurs voisins », explique Mikirtumov. « Nous en avons mappé plusieurs sur l’interface, et nous pensons que dans ces cas-là, c’est la coopération entre les chaînes qui tombe en panne. »
Les chercheurs proposent que la perturbation à l’interface entre les canaux les rend fuyants, libérant du calcium alors qu’ils devraient le retenir. Cela fait de l’interface elle-même une cible pour les thérapies.
L’équipe teste déjà l’idée. « Nous devons empêcher que les canaux ne s’ouvrent spontanément », déclare Kudryashev. « Maintenant que nous savons comment est organisé l’état inactif, nous pouvons concevoir des produits biologiques ou de petites molécules pour stabiliser cet état fermé. »
