Imaginez la vie d’une cellule de levure, flottant dans la cuisine dans une spore qui finit par atterrir sur un bol de raisins. La vie est belle : manger pendant des jours, au moins jusqu’à ce que quelqu’un remarque les fruits pourris et les jette. Mais voilà que le soleil brille à travers une fenêtre, la partie du comptoir où se trouve le bol se réchauffe et soudain, la vie devient inconfortable pour l’humble levure. Lorsque les températures deviennent trop élevées, les cellules arrêtent leurs processus normaux pour surmonter les conditions stressantes et vivre pour se régaler de raisins lors d’une autre journée plus fraîche.
Cette « réponse au choc thermique » des cellules est un modèle classique d’adaptation biologique, faisant partie des processus fondamentaux de la vie – conservés chez les créatures depuis la levure unicellulaire jusqu’aux humains – qui permettent à nos cellules de s’adapter aux conditions changeantes de leur environnement. Pendant des années, les scientifiques se sont concentrés sur la manière dont différents gènes réagissent au stress thermique pour comprendre cette technique de survie. Aujourd’hui, grâce à l’utilisation innovante de techniques d’imagerie avancées, les chercheurs de l’Université de Chicago bénéficient d’un aperçu sans précédent de la machinerie interne des cellules pour voir comment elles réagissent au stress thermique.
« L’adaptation est un super pouvoir caché des cellules », a déclaré Asif Ali, PhD, chercheur postdoctoral à UChicago spécialisé dans la capture d’images de processus cellulaires. « Ils ne sont pas obligés d’utiliser ce super pouvoir tout le temps, mais une fois qu’ils se retrouvent coincés dans des conditions difficiles, tout d’un coup, il n’y a plus d’issue. Ils l’utilisent donc comme stratégie de survie. »
Ali travaille dans le laboratoire de David Pincus, PhD, professeur adjoint de génétique moléculaire et de biologie cellulaire à UChicago, où leur équipe étudie comment les cellules s’adaptent à des environnements stressants et complexes, y compris la réponse au choc thermique. Dans la nouvelle étude, publiée le 16 octobre 2023 dans Biologie cellulaire naturelleils ont combiné plusieurs nouvelles techniques d’imagerie pour montrer qu’en réponse à un choc thermique, les cellules emploient un mécanisme de protection pour leurs protéines ribosomales orphelines – des protéines essentielles à la croissance qui sont très vulnérables à l’agrégation lorsque le traitement cellulaire normal s’arrête – en les préservant dans un liquide. comme les condensats.
Une fois le choc thermique passé, ces condensats sont dispersés à l’aide de protéines chaperonnes moléculaires, facilitant l’intégration des protéines orphelines dans des ribosomes matures fonctionnels qui peuvent recommencer à produire des protéines. Ce redémarrage rapide de la production de ribosomes permet à la cellule de reprendre là où elle s’était arrêtée sans gaspiller d’énergie. L’étude montre également que les cellules incapables de maintenir l’état liquide de ces condensats ne récupèrent pas aussi rapidement, prenant dix générations de retard alors qu’elles tentent de reproduire les protéines perdues.
« Asif a développé une toute nouvelle technique de biologie cellulaire qui nous permet de visualiser pour la première fois les protéines ribosomales orphelines dans les cellules en temps réel », a déclaré Pincus. « Comme beaucoup d’innovations, il a fallu une avancée technologique pour nous permettre de découvrir une toute nouvelle biologie qui nous était invisible auparavant, mais qui existe depuis toujours dans les cellules que nous étudions depuis des années. »
Goo biomoléculaire vaguement affilié
Les ribosomes sont des machines cruciales à l’intérieur du cytoplasme de toutes les cellules qui lisent les instructions génétiques sur l’ARN messager et construisent des chaînes d’acides aminés qui se replient en protéines. La production de ribosomes pour effectuer ce processus est gourmande en énergie, donc dans des conditions de stress comme un choc thermique, c’est l’une des premières choses qu’une cellule s’arrête pour économiser de l’énergie. Cependant, à tout moment, 50 % des protéines nouvellement synthétisées à l’intérieur d’une cellule sont des protéines ribosomales qui n’ont pas encore été complètement traduites. Jusqu’à un million de protéines ribosomales sont produites par minute dans une cellule, donc si la production de ribosomes s’arrête, ces millions de protéines pourraient flotter sans surveillance, sujettes à s’agglutiner ou à se replier incorrectement, ce qui peut causer des problèmes à long terme.
Au lieu de se concentrer sur le comportement des gènes lors d’un choc thermique, Ali et Pincus ont voulu examiner l’intérieur de la machinerie cellulaire pour voir ce qui arrive à ces protéines ribosomales « orphelines ». Pour cela, Ali s’est tourné vers un nouvel outil de microscopie appelé imagerie 4D à feuille de lumière en réseau qui utilise plusieurs feuilles de lumière laser pour créer des images entièrement dimensionnelles de composants à l’intérieur des cellules vivantes.
Puisqu’il voulait se concentrer sur ce qui arrivait uniquement aux protéines orphelines lors d’un choc thermique, Ali a également utilisé une technique classique appelée « marquage par impulsions » avec une touche moderne : un colorant spécial appelé « HaloTag » pour signaler les protéines orphelines nouvellement synthétisées. Souvent, lorsque les scientifiques souhaitent suivre l’activité d’une protéine à l’intérieur d’une cellule, ils utilisent une étiquette de protéine fluorescente verte (GFP) qui brille en vert vif au microscope. Mais comme il y a tellement de protéines ribosomales matures dans une cellule, l’utilisation des GFP ne ferait qu’éclairer la cellule entière. Au lieu de cela, le marquage par impulsion avec le colorant HaloTag permet aux chercheurs d’éclairer uniquement les ribosomes nouvellement créés et de laisser les ribosomes matures sombres.
En utilisant ces outils d’imagerie combinés, les chercheurs ont constaté que les protéines orphelines étaient collectées dans des gouttelettes de matière semblables à un liquide à proximité du nucléole (Pincus a utilisé le terme scientifique « matière biomoléculaire vaguement affiliée »). Ces blobs étaient accompagnés de chaperons moléculaires, des protéines qui assistent généralement le processus de production ribosomale en aidant à replier de nouvelles protéines. Dans ce cas, les chaperons semblaient « remuer » les protéines collectées, les maintenant à l’état liquide et les empêchant de s’agglutiner.
Cette découverte est intrigante, a déclaré Pincus, car de nombreuses maladies humaines comme le cancer et les troubles neurodégénératifs sont liées à des amas de protéines mal repliés ou agrégés. Une fois que les protéines s’emmêlent, elles le restent également, donc ce mécanisme « d’agitation » semble être une autre adaptation.
« Je pense qu’une définition générale très plausible de la santé et des maladies cellulaires est que si les choses sont liquides et se déplacent, vous êtes dans un état sain, une fois que les choses commencent à se boucher et à former ces agrégats, c’est une pathologie », a déclaré Pincus. « Nous pensons vraiment découvrir les mécanismes fondamentaux qui pourraient être cliniquement pertinents, ou du moins, au cœur mécanistique de tant de maladies humaines. »
Trouver une structure à l’échelle atomique
À l’avenir, Ali espère utiliser une autre technique d’imagerie appelée cryo-tomographie électronique, une application utilisant un microscope électronique pendant que des échantillons de cellules sont congelés pour capturer des images de leurs composants internes à une résolution de niveau atomique. Un autre avantage de cette technique est qu’elle permet aux chercheurs de capturer des images 3D à l’intérieur de la cellule elle-même, au lieu de séparer et de préparer les protéines pour l’imagerie.
À l’aide de ce nouvel outil, les chercheurs souhaitent examiner l’intérieur des condensats de protéines pour voir s’ils sont organisés de manière à les aider à se disperser facilement et à reprendre leur activité une fois le choc thermique atténué.
« Je dois croire qu’ils ne sont pas simplement mélangés et mélangés », a déclaré Pincus. « Ce que nous espérons voir dans ce qui ressemble à une soupe désorganisée, il y aura une structure et un ordre qui les aideront à repousser si rapidement. »
La recherche rapportée dans ce communiqué de presse a été soutenue par les National Institutes of Health (NIH) sous les numéros de récompense R01 GM138689 et R35 GM144278, ainsi que par le soutien de la Neubauer Family Foundation et du Quantum Leap Challenge Institute de la National Science Foundation (NSF). Bourse de biophysique et de bioingénierie OMA-2121044. Les autres auteurs incluent Rania Garde, Olivia C. Schaffer, Jared AM Bard, Kabir Husain, Samantha Keyport Kik, Kathleen A. Davis, Sofia Luengo-Woods, Maya G. Igarashi, D. Allan Drummond et Allison H. Squires de l’Université. de Chicago. Le contenu relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les opinions officielles du NIH ou de la NSF.
