Pour la première fois, des chercheurs ont développé une approche efficace pour identifier des protéines à l’intérieur de différents types de neurones dans le cerveau d’un animal vivant.
Dirigée par l’Université Northwestern et l’Université de Pittsburgh, la nouvelle étude offre un pas de géant vers la compréhension des millions de protéines distinctes du cerveau. En tant qu’éléments constitutifs de toutes les cellules, y compris les neurones, les protéines détiennent les clés pour mieux comprendre les maladies cérébrales complexes telles que la maladie de Parkinson et la maladie d’Alzheimer, ce qui peut conduire au développement de nouveaux traitements.
L’étude sera publiée le 11 août dans la revue Communication Nature.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont conçu un virus pour envoyer une enzyme à un endroit précis dans le cerveau d’une souris vivante. Dérivée du soja, l’enzyme marque génétiquement ses protéines voisines à un emplacement prédéterminé. Après avoir validé la technique en imageant le cerveau par fluorescence et microscopie électronique, les chercheurs ont découvert que leur technique prenait un instantané de l’ensemble des protéines (ou protéome) à l’intérieur des neurones vivants, qui peuvent ensuite être analysés post-mortem par spectroscopie de masse.
« Des travaux similaires ont déjà été effectués dans des cultures cellulaires. Mais les cellules d’une boîte ne fonctionnent pas de la même manière que dans un cerveau, et elles n’ont pas les mêmes protéines aux mêmes endroits faisant les mêmes choses », a déclaré Yevgenia de Northwestern. Kozorovitskiy, auteur principal de l’étude. « C’est beaucoup plus difficile de faire ce travail dans le tissu complexe d’un cerveau de souris. Maintenant, nous pouvons utiliser ces prouesses en protéomique et les intégrer dans des circuits neuronaux plus réalistes avec une excellente traction génétique. »
En marquant chimiquement les protéines et leurs voisins, les chercheurs peuvent désormais voir comment les protéines fonctionnent dans une zone spécifique et contrôlée et comment elles fonctionnent les unes avec les autres dans un protéome. En plus du virus porteur de l’enzyme de soja, les chercheurs ont également utilisé leur virus pour transporter une protéine fluorescente verte distincte.
« Le virus agit essentiellement comme un message que nous délivrons », a déclaré Kozorovitskiy. « Dans ce cas, le message portait cette enzyme de soja spéciale. Ensuite, dans un message séparé, nous avons envoyé la protéine fluorescente verte pour nous montrer quels neurones ont été marqués. Si les neurones sont verts, alors nous savons que l’enzyme de soja a été exprimée dans ces neurones. »
Kozorovitskiy est professeur de recherche Soretta et Henry Shapiro en biologie moléculaire, professeur agrégé de neurobiologie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre du Chemistry of Life Processes Institute. Elle a codirigé les travaux avec Matthew MacDonald, professeur adjoint de psychiatrie au centre médical de l’Université de Pittsburgh.
Le ciblage des protéines rattrape son retard
Alors que le ciblage génétique a complètement transformé la biologie et les neurosciences, le ciblage des protéines a pris du retard. Les chercheurs peuvent amplifier et séquencer les gènes et l’ARN pour identifier leurs éléments constitutifs exacts. Les protéines, cependant, ne peuvent pas être amplifiées et séquencées de la même manière. Au lieu de cela, les chercheurs doivent diviser les protéines en peptides, puis les réassembler, ce qui est un processus lent et imparfait.
« Nous avons pu gagner beaucoup de terrain avec le séquençage génétique et d’ARN, mais les protéines ont été hors de la boucle », a déclaré Kozorovitskiy. « Pourtant, tout le monde reconnaît l’importance des protéines. Les protéines sont les effecteurs ultimes dans nos cellules. Comprendre où se trouvent les protéines, comment elles fonctionnent et comment elles fonctionnent les unes par rapport aux autres est vraiment important. »
La protéomique basée sur la spectroscopie de masse est une technique puissante. Avec notre approche, nous pouvons commencer à cartographier le protéome de divers circuits cérébraux avec une grande précision et spécificité. Nous pouvons même les quantifier pour voir combien de protéines sont présentes dans différentes parties des neurones et du cerveau. »
Vasin Dumrongprechachan, Ph.D, auteur principal de l’étude, Northwestern University
Prochaine étape : Mieux comprendre les maladies du cerveau
Maintenant que ce nouveau système a été validé et est prêt à fonctionner, les chercheurs peuvent l’appliquer à des modèles murins de maladie afin de mieux comprendre les maladies neurologiques.
« Nous espérons étendre cette approche pour commencer à identifier les modifications biochimiques sur les protéines neuronales qui se produisent lors de schémas spécifiques d’activité cérébrale ou avec des changements induits par des médicaments neuroactifs pour faciliter les progrès cliniques », a déclaré Dumrongprechachan.
« Nous sommes impatients d’appliquer cela à des modèles liés aux maladies du cerveau et de relier ces études aux travaux de protéomique post-mortem dans le cerveau humain », a déclaré Kozorovitskiy. « Il est prêt à être appliqué à ces modèles, et nous avons hâte de commencer. »
