Les cellules sont des espaces hautement contrôlés qui dépendent de la présence de chaque protéine au bon endroit. De nombreuses maladies, notamment les cancers et les troubles neurodégénératifs, sont associées à des protéines mal placées. Dans certains cancers, par exemple, une protéine qui surveille normalement la réplication de l'ADN dans le noyau est envoyée loin de l'ADN qu'elle est censée surveiller, ce qui permet aux cancers de se développer.
Steven Banik, professeur adjoint de chimie à l'École des sciences humaines et de l'information et chercheur à l'Institut Sarafan ChEM-H de l'Université de Stanford, et son laboratoire ont mis au point une nouvelle méthode pour aider à forcer les protéines déplacées à revenir à leur place dans les cellules. La méthode consiste à recâbler l'activité des navettes naturelles pour aider à déplacer les protéines vers différentes parties de la cellule. L'équipe a conçu une nouvelle classe de molécules appelées « molécules activatrices de relocalisation ciblées » ou TRAM qui convainquent ces navettes naturelles d'emporter une cargaison différente – comme les protéines exportées du noyau dans certains cancers – avec elles. Publié dans Nature le 18 septembre, cette stratégie pourrait conduire à une thérapie pour corriger le mauvais placement des protéines associées aux maladies, et également pour créer de nouvelles fonctions dans les cellules.
« Nous récupérons les protéines perdues et les ramenons à la maison », a déclaré Banik.
Navettes et passagers
Nos cellules contiennent de nombreux compartiments, comme le noyau, le refuge sûr de l'ADN, ou les mitochondries, où l'énergie est produite. Entre tous ces compartiments se trouve le cytoplasme. Partout dans les nombreux endroits de la cellule se trouvent des protéines. Elles sont responsables de toutes sortes d'actions (construction et décomposition de molécules, contraction des muscles, envoi de signaux), mais pour fonctionner correctement, elles doivent accomplir leurs actions respectives au bon endroit.
Les cellules sont des endroits très fréquentés. Les protéines s'y faufilent en passant devant toutes sortes d'autres molécules comme l'ARN, les lipides et d'autres protéines. La fonction d'une protéine est donc limitée par ce qu'elle peut faire et par sa proximité avec d'autres molécules.
Steven Banik, professeur adjoint de chimie à l'École des sciences humaines et de l'éducation et chercheur à l'institut Sarafan ChEM-H de l'Université de Stanford
Les maladies exploitent parfois ce besoin de proximité en mutant des protéines qui pourraient autrement protéger une cellule contre les dommages. Ce type de mutation revient à mettre la mauvaise adresse sur un colis, ce qui incite les protéines à aller là où elles n'iraient jamais dans des cellules saines.
Parfois, ce mouvement empêche complètement la protéine de fonctionner. Les protéines qui agissent sur l’ADN, par exemple, ne trouvent pas d’ADN dans le cytoplasme et s’envolent sans rien faire. Dans d’autres cas, ce mouvement fait qu’une protéine devient un mauvais acteur. Dans la SLA, par exemple, une mutation envoie une certaine protéine, appelée FUS, hors du noyau et dans le cytoplasme, où elle s’agglutine en amas toxiques et finit par tuer la cellule.
Banik et son équipe se sont demandés s’ils pourraient lutter contre ce déplacement intentionnel des protéines en utilisant d’autres protéines comme navettes pour transporter les protéines passagères vers leur destination. Mais ces navettes ont souvent d’autres fonctions, et l’équipe devrait donc convaincre la navette de prendre en charge la cargaison et de la transporter vers un nouvel endroit.
Pour ce faire, Banik et son équipe ont développé un nouveau type de molécule à deux têtes appelée TRAM. Une tête est conçue pour adhérer à la navette, et l’autre pour adhérer au passager. Si la navette est suffisamment solide, elle transportera le passager à sa place.
En route pour le voyage
L'équipe s'est concentrée sur deux types de navettes prometteuses, l'une qui entraîne les protéines dans le noyau, et l'autre qui exporte les protéines du noyau. Christine Ng, étudiante diplômée en chimie et première auteure de l'article, a conçu et construit des TRAM qui relient la navette et le passager. Si un passager du cytoplasme se retrouve dans le noyau, ils sauront que leur TRAM a fonctionné.
Le premier défi était immédiat : il n’existait aucune méthode fiable pour mesurer la quantité d’une protéine à un endroit précis dans des cellules individuelles. Ng a donc développé une nouvelle méthode pour quantifier la quantité et la localisation des protéines passagères dans une cellule à un moment donné. Chimiste de formation, elle a dû acquérir de nouvelles compétences en microscopie et en analyse informatique pour y parvenir.
« La nature est intrinsèquement complexe et interconnectée, il est donc essentiel d'adopter des approches interdisciplinaires », a déclaré Ng. « Emprunter la logique ou les outils d'un domaine pour résoudre un problème dans un autre domaine donne souvent lieu à des questions et des découvertes très intéressantes. »
Elle a ensuite mis le système à l'épreuve. Ses TRAM ont réussi à déplacer les protéines des passagers dans et hors du noyau, en fonction de la navette utilisée. Ces premières expériences l'ont aidée à générer certaines « règles » de base pour la conception, comme la résistance que devait avoir une navette pour surmonter la tendance du passager à tirer dans une autre direction.
Le défi suivant consistait à concevoir des TRAM qui pourraient être des médicaments, c’est-à-dire inverser le mouvement des protéines responsables de la maladie. Ils ont d’abord créé un TRAM qui relocaliserait FUS, la protéine qui est expulsée du noyau et forme des granules dangereux chez les patients atteints de SLA. Après avoir traité les cellules avec leur TRAM, l’équipe a constaté que FUS était transportée vers son lieu d’origine, le noyau, que les amas toxiques diminuaient et que les cellules étaient moins susceptibles de mourir.
Ils ont ensuite porté leur attention sur une mutation bien connue chez les souris qui les rend plus résistantes à la neurodégénérescence. Cette mutation, étudiée notamment par Ben Barres, aujourd'hui décédé, provoque le déplacement d'une certaine protéine du noyau vers l'axone des neurones.
L’équipe s’est demandée s’il était possible de créer un TRAM qui imiterait l’effet protecteur de la mutation, en emmenant la protéine jusqu’à l’extrémité de l’axone. Leur TRAM a non seulement déplacé la protéine cible le long de l’axone, mais a également rendu la cellule plus résistante au stress qui imite la neurodégénérescence.
Dans tous ces exemples, l’équipe a dû faire face à un défi permanent : concevoir la tête du TRAM destinée à cibler les passagers est difficile, car les scientifiques n’ont pas encore identifié toutes les molécules susceptibles de se lier à leurs passagers cibles. Pour contourner ce problème, l’équipe a utilisé des outils génétiques pour installer une étiquette collante sur ces passagers. À l’avenir, cependant, ils espèrent pouvoir trouver des morceaux collants naturels sur ces passagers et développer des TRAM pour en faire de nouveaux types de médicaments.
Bien qu'ils se soient concentrés sur deux navettes, la méthode est généralisable à toutes les autres navettes, comme celles qui poussent les objets jusqu'à la surface cellulaire, où se produit la communication avec les autres cellules.
Et au-delà de renvoyer les protéines mutées là où elles doivent être, l’équipe espère également que les TRAM pourraient être utilisés pour envoyer des protéines saines vers des parties de la cellule auxquelles elles ne peuvent normalement pas accéder, créant ainsi de nouvelles fonctions dont nous ne savons pas encore si elles sont possibles.
« C'est passionnant, car nous commençons tout juste à comprendre les règles », a déclaré Banik. « Si nous modifions l'équilibre, si une protéine a soudainement accès à de nouvelles molécules dans une nouvelle partie de la cellule à un moment différent, que fera-t-elle ? Quelles fonctions pourrions-nous déverrouiller ? Quel nouveau pan de la biologie pourrions-nous comprendre ? »
