Les scientifiques ont souvent considéré les cellules comme de petites villes animées dont certaines parties ressemblent à des usines, des réseaux électriques et des systèmes de transport. Et même si des recherches antérieures ont éclairé ce que nous savons sur les différents composants individuels de ces villes cellulaires, elles ne disposaient pas des outils nécessaires pour approfondir la manière dont ces différents éléments interagissent.
Les chercheurs du groupe de recherche EMBL Heidelberg de Julia Mahamid ont cependant exploité la puissance de la tomographie cryoélectronique (cryo-ET) pour faire exactement cela : visualiser comment différents processus cellulaires sont connectés. Leurs dernières découvertes sont publiées dans deux articles de la revue Cellule.
« Les deux projets sont essentiellement des preuves de concept pour ce type d’analyse », a déclaré Joe Dobbs, auteur principal de l’un des deux articles et ancien doctorant du groupe de Mahamid. Il travaille actuellement comme chercheur postdoctoral à l’Institut Max Planck pour la recherche sur le cerveau à Francfort. « Plutôt que d’examiner un seul type de molécule isolément, les deux articles examinent les interactions entre différents systèmes cellulaires avec un fil conducteur commun: comprendre comment les différents processus sont coordonnés. »
Mieux connaître la production de protéines
Le travail de Dobbs avec des collègues s’est concentré sur l’imagerie Mycoplasma pneumoniae bactéries utilisant le cryo-ET. Cryo-ET est une technique d’imagerie puissante qui permet aux scientifiques de voir l’intérieur des cellules congelées en 3D et de manière très détaillée, révélant ainsi les structures des machines moléculaires.
Les scientifiques ont utilisé cette technologie pour reconstruire des cartes à haute résolution et compter les instances de la machinerie de production de protéines (ribosomes) dans différents états fonctionnels sur des centaines de cellules individuelles. Étant donné que les protéines font une grande partie de ce dont une cellule a besoin pour rester en vie, comprendre ce processus nous aide à comprendre comment fonctionnent les cellules, pourquoi les maladies surviennent et comment développer de meilleurs médicaments.
Entre autres découvertes, les scientifiques ont observé plusieurs nouveaux complexes qui relient directement la transcription – le processus de production d’ARNm à partir de l’ADN – à la traduction, le processus de production de protéines. Cela leur a permis de mieux comprendre comment la production de protéines est régulée, de fournir des preuves structurelles de « supercomplexes » hypothétiques depuis longtemps et de suggérer de nouveaux mécanismes moléculaires sur la façon dont les processus entrelacés sont contrôlés.
De plus, ils ont trouvé des parties du ribosome attachées à la membrane cellulaire même lorsqu’elles ne produisaient pas de protéines. Leurs résultats suggèrent que ces sous-unités pourraient se détacher de la membrane uniquement lorsque les conditions permettront à un nouveau cycle de production de protéines de commencer. Ce comportement est similaire à celui observé dans les cellules de mammifères il y a plusieurs décennies, et les nouvelles découvertes suggèrent que de tels mécanismes pourraient être conservés des bactéries aux humains.
« Je la considère comme une ville », a déclaré Dobbs. « Les machines moléculaires sur lesquelles je travaille sont comme de petites usines qui produisent des objets, tandis que certains de mes collègues étudient des systèmes qui transportent et traitent ces produits. Ensemble, ils forment différentes parties d’une communauté moléculaire vivante à l’intérieur de la cellule – un peu comme une ville avec différentes activités spécialisées travaillant toutes ensemble. »
Cette focalisation sur l’interaction entre les machines moléculaires, plutôt que sur l’isolement, fait partie de ce qui rend les deux articles novateurs.
Découverte de complexes entièrement nouveaux à la frontière de la cellule
Ailleurs dans le groupe Mahamid, Rasmus Jensen dirigeait des recherches sur un système responsable du transport et du repliement des protéines au niveau de la membrane cellulaire. Il voulait mieux comprendre ce qui arrive aux protéines après leur production.
« Joe a commencé avec une question biologique à laquelle il voulait répondre », a expliqué Jensen. « Je suis parti de la direction opposée. Nous avions vu quelque chose d’intéressant dans la cellule et avons travaillé à rebours pour comprendre de quoi il s’agissait, pour finalement découvrir qu’il s’agit d’une nouvelle configuration d’une machine moléculaire qui aide les protéines à être exportées hors de la cellule ou insérées dans sa membrane. «
En combinant l’imagerie cryo-ET, la protéomique et les prédictions informatiques de la structure des protéines, l’équipe a découvert que cette machinerie contient le bien connu Sec-translocon, un canal protéique dans la membrane cellulaire qui agit comme une porte pour déplacer les protéines nouvellement fabriquées hors de la cellule, ainsi que trois protéines jusqu’alors inconnues qui aident ces protéines transportées à se replier dans leurs formes fonctionnelles correctes.
Cryo-ET a permis aux chercheurs de créer les images les plus détaillées jusqu’à présent de la partie conservée de la machinerie de transport des protéines bactériennes. Ces images ont montré comment les protéines traduites par les ribosomes commencent à se déplacer à travers la membrane cellulaire et ont révélé que le transport des protéines est étroitement lié à un système de repliement des protéines récemment découvert à l’extérieur de la cellule. Mycoplasma pneumoniae.
« En travaillant avec de nombreux collègues de l’EMBL, nous avons combiné notre expertise en microbiologie, protéomique, bioinformatique, biologie structurale et modélisation intégrative », a déclaré Mahamid, chef du groupe EMBL et auteur principal des deux articles. « Cet article raconte toute l’histoire du processus de découverte : visualiser une nouvelle machinerie cellulaire, identifier les gènes et les protéines et comprendre comment tout cela fonctionne. C’est une réalisation remarquable et ouvre de nouvelles voies pour identifier de nouveaux complexes et fonctions dans différents systèmes. »
Des simples cellules bactériennes aux espèces plus complexes
Bien que les découvertes soient intéressantes en elles-mêmes, ces études posent surtout les bases conceptuelles des études futures.
« Dans le travail de Joe et le mien, nous avons commencé avec ce que nous appellerions une cellule minimale où tout est relativement simple », a déclaré Jensen. « Nous avons avancé ce qui est conceptuellement possible dans cette bactérie minimale et établi des moyens d’appliquer ces méthodes à des organismes plus complexes. »
« L’avenir, c’est l’étude des communautés moléculaires », a déclaré Mahamid. « Des décennies de biologie structurale réalisées sur des molécules isolées nous ont fourni des vues détaillées de leurs structures et de leurs fonctions. Dans le passé, nous n’avions tout simplement pas la technologie nécessaire pour étudier leurs interactions et leurs interférences plus complexes. Ce travail montre à nouveau à quel point la cryo-ET est une technologie habilitante, nous permettant de voir de nouvelles choses et une connectivité à l’intérieur des cellules. Sa capacité à nous en montrer davantage ne semble limitée que si nous posons les bonnes questions. «
