Des scientifiques de l'Université de la santé et des sciences de l'Oregon ont découvert un système jusqu'alors inconnu d'« alizés » internes qui aident les cellules à déplacer rapidement les protéines essentielles vers l'avant de la cellule, remodelant ainsi la façon dont les chercheurs comprennent la migration cellulaire, la propagation du cancer et la cicatrisation des plaies.
La découverte, publiée aujourd'hui dans Communications naturelles, remodèle ce que les chercheurs pensaient savoir sur la façon dont les cellules dirigent les protéines au bon endroit et au bon moment.
Pendant des décennies, les manuels de biologie ont enseigné que les protéines flottantes à l’intérieur des cellules se déplacent principalement par diffusion, dérivant de manière aléatoire jusqu’à ce qu’elles atteignent leur destination. Mais la nouvelle étude montre que les cellules ne laissent pas cela au hasard. Au lieu de cela, ils créent des flux ciblés de fluide qui poussent les protéines essentielles vers le bord d’attaque de la cellule, là où commencent le mouvement et la réparation.
De découverte accidentelle à une avancée majeure
Les auteurs co-correspondants de l'étude, Catherine (Cathy) Galbraith, Ph.D., et James (Jim) Galbraith, Ph.D., tous deux professeurs agrégés au département de génie biomédical de l'OHSU et enquêteurs du moteur de découverte de l'OHSU Knight Cancer Institute, retracent la découverte à une observation inattendue il y a des années au cours du cours de neurobiologie au laboratoire de biologie marine du Massachusetts.
En fait, cela a commencé comme une découverte inattendue. Nous menions simplement une expérience avec des étudiants en classe. »
Catherine (Cathy) Galbraith, PhD, auteur co-correspondant de l'étude et professeur agrégé, département de génie biomédical, Oregon Health & Science University
Ils ont utilisé un laser pour rendre les protéines invisibles dans une bande située à l'arrière d'une cellule vivante – une technique standard pour suivre la façon dont les matériaux se déplacent à l'intérieur des cellules – lorsque quelque chose d'inattendu est apparu : une deuxième petite ligne sombre est apparue sur le bord avant que la cellule s'étend lorsqu'elle se déplace.
« Nous l'avons fait en quelque sorte pour nous amuser, puis nous avons réalisé que cela nous donnait un moyen de mesurer quelque chose qui ne pouvait pas être mesuré auparavant », a-t-elle déclaré.
Cette ligne sombre inattendue s'est avérée être une vague d'actine soluble – l'une des protéines clés qui aident les cellules à se déplacer – poussée rapidement vers le bord d'attaque de la cellule. Jusqu’à présent, les scientifiques supposaient que l’actine y arrivait principalement par diffusion, dérivant à travers la cellule de manière aléatoire. Mais les expériences des Galbraith ont révélé tout autre chose.
« Nous avons réalisé qu'il manquait un morceau énorme aux modèles de dessins animés dans les manuels scolaires », a déclaré Jim. « Il devait y avoir une sorte de flux dans la cellule pour faire avancer les choses. Les cellules » suivent vraiment le flux « . »
Comprendre la migration des cellules cancéreuses
Cathy et Jim ont été recrutés à l'OHSU en 2013 par les National Institutes of Health, où ils avaient collaboré avec le lauréat du prix Nobel Eric Betzig, Ph.D., au campus de recherche Janelia du Howard Hughes Medical Institute voisin, sur le développement de la microscopie à super-résolution de cellules vivantes.
À l’aide de tests d’imagerie personnalisés, les scientifiques ont découvert que les cellules créent activement des flux de fluides directionnels, que l’équipe compare aux rivières atmosphériques. Ces courants poussent l’actine et d’autres protéines beaucoup plus rapidement que ne le ferait la diffusion.
« Nous avons constaté que la cellule peut réellement se faufiler à l'arrière et cibler l'endroit où elle envoie ce matériel », a déclaré Jim. « Si vous pressez la moitié d'une éponge, l'eau ne coule que sur cette moitié. C'est essentiellement ce que fait la cellule. »
Ce flux interne n’est pas spécifique, ce qui signifie qu’il balaye plusieurs types de protéines à la fois.
Le résultat est un système d’administration rapide et efficace qui alimente la saillie, l’adhésion et les changements de forme rapides, tous processus critiques pour le mouvement cellulaire, la réponse immunitaire et la réparation des tissus. Les résultats publiés confirment que ces flux se produisent dans un compartiment spécialisé situé à l'avant de la cellule, séparé du reste de la cellule par une barrière de condensat d'actine et de myosine qui agit comme une paroi physique et cible les flux vers les régions avancées le long du bord de la cellule.
Pour visualiser les courants, l'équipe a développé une version inverse d'une technique de fluorescence standard. Au lieu d’utiliser un laser pour blanchir la lumière, ils ont activé des molécules fluorescentes en un seul point et ont observé comment elles se déplaçaient.
L’équipe a surnommé l’une des expériences clés FLOP, ou Fluorescence Leaving the Original Point.
« Ce n'était pas du tout un échec », a déclaré Cathy. « C'était le contraire. C'est tout sauf un échec, car cela a fonctionné. » La découverte de l'équipe pourrait aider à expliquer pourquoi certaines cellules cancéreuses se déplacent de manière si agressive.
« Nous savons que ces cellules hautement invasives disposent de ce mécanisme vraiment génial pour pousser les protéines très rapidement, très rapidement là où elles en ont besoin, à l'avant de la cellule », a déclaré Jim. « Toutes les cellules contiennent fondamentalement les mêmes composants à l'intérieur, tout comme une Porsche et une Volkswagen contiennent bon nombre des mêmes pièces, mais lorsque ces pièces sont assemblées dans la machine finale, elles se comportent et fonctionnent très différemment. »
En comprenant ces différences, les chercheurs espèrent identifier de nouvelles façons d’interrompre la migration des cellules cancéreuses.
« Si vous pouvez comprendre les différences, vous pourrez cibler de futurs traitements en fonction du fonctionnement différent des cellules cancéreuses et des cellules normales », a-t-il déclaré.
Collaboration pour les principales conclusions
Le projet a réuni l'ingénierie, la physique, la microscopie et la biologie cellulaire, avec des contributions clés de collaborateurs du Janelia Research Campus en Virginie, notamment des experts en spectroscopie de corrélation de fluorescence et en imagerie 3D à super-résolution.
« L'instrumentation dont nous avions besoin n'existe pas dans la plupart des endroits », a déclaré Cathy. « Janelia disposait d'une configuration unique en son genre qui nous permettait de tester et de confirmer ce que nous voyions. »
Une grande partie du projet reposait sur des techniques d'imagerie avancées développées à Janelia, parmi lesquelles iPALM, une méthode interférométrique permettant de résoudre des structures à l'échelle nanométrique à laquelle les Galbraith ont contribué au développement.
« iPALM nous a permis de voir physiquement les compartiments », a déclaré Jim. « Il n'existe aucune autre technique basée sur la lumière qui puisse faire cela. »
Les chercheurs affirment que l'étude révèle un « pseudo-organite », ou un compartiment fonctionnel qui n'est pas entouré d'une membrane mais qui façonne néanmoins le comportement de la cellule.
« Tout comme de petits changements dans le jet stream peuvent changer le temps, de petits changements dans ces vents cellulaires pourraient changer la façon dont les maladies commencent ou progressent », a déclaré Cathy.
L'équipe estime que ces travaux ouvrent de nouvelles directions pour la recherche sur le cancer, l'administration de médicaments, la réparation des tissus et la biologie synthétique.
« Tout ce que tu avais à faire était de regarder », a déclaré Cathy. « Les flux étaient là depuis le début. Nous savons maintenant comment les cellules les utilisent. »
