Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI et de l’ETH Zurich ont découvert comment les protéines dans la cellule peuvent former de minuscules gouttelettes liquides qui agissent comme une colle moléculaire intelligente. Accrochée aux extrémités de filaments appelés microtubules, la colle qu’ils ont découverte assure que le noyau est correctement positionné pour la division cellulaire. Les conclusions, publiées dans Biologie Cellulaire Natureexpliquent le mystère de longue date de la façon dont les structures protéiques en mouvement de la machinerie cellulaire sont couplées.
Les accouplements sont essentiels pour les machines avec des pièces mobiles. Rigide ou flexible, qu’il s’agisse de la connexion entre les arbres d’un moteur ou les articulations de notre corps, les propriétés des matériaux garantissent que les forces mécaniques sont transmises comme souhaité. Nulle part cela n’est mieux optimisé que dans la cellule, où les interactions entre les structures subcellulaires en mouvement sous-tendent de nombreux processus biologiques. Pourtant, la façon dont la nature crée ce couplage a longtemps déconcerté les scientifiques.
Maintenant, des chercheurs, étudiant un couplage crucial pour la division cellulaire de la levure, ont révélé que pour ce faire, les protéines collaborent de telle sorte qu’elles se condensent en une gouttelette liquide. L’étude était une collaboration entre les équipes de Michel Steinmetz de l’Institut Paul Scherrer PSI et d’Yves Barral de l’ETH Zurich, avec l’aide des groupes d’Eric Dufresne et de Jörg Stelling, tous deux de l’ETH Zurich.
En formant une gouttelette liquide, les protéines atteignent les propriétés matérielles parfaites pour assurer la fonction biologique. Cette découverte n’est que le début d’une nouvelle compréhension du rôle que jouent les liquides intelligents dans la cellule, estime Barral, dont le groupe de recherche étudie le processus de division cellulaire chez la levure. « Nous découvrons que les liquides composés de biomolécules peuvent être extrêmement sophistiqués et présenter une variété de propriétés beaucoup plus large que celle à laquelle nous sommes habitués de notre point de vue macroscopique. À cet égard, je pense que nous découvrirons que ces liquides ont des propriétés impressionnantes qui ont été sélectionnés par évolution sur des centaines de millions d’années. »
Microtubules : les câbles de remorquage de la cellule
L’étude se concentre sur un couplage qui se produit aux extrémités des microtubules – des filaments qui sillonnent le cytoplasme de la cellule et ont une ressemblance troublante avec des tentacules extraterrestres. Ces tubes creux, formés à partir de la tubuline, un bloc de construction, agissent comme des câbles de remorquage, transportant diverses marchandises à travers la cellule.
Les microtubules reçoivent l’une de leurs cargaisons les plus critiques lors de la division cellulaire. Dans la levure, ils ont la tâche importante de faire glisser le noyau, contenant les chromosomes en division, entre la cellule mère et la cellule fille en herbe. Pour ce faire, le microtubule doit se connecter, via une protéine motrice, à un câble d’actine ancré dans la membrane cellulaire de la cellule fille émergente. La protéine motrice marche ensuite le long du câble d’actine, tirant le microtubule dans la cellule fille jusqu’à ce que sa précieuse cargaison de matériel génétique atteigne sa destination prévue entre les deux cellules.
Ce couplage, indispensable au bon déroulement de la division cellulaire, doit résister à la tension de marche de la protéine motrice et permettre de manœuvrer délicatement le noyau. Michel Steinmetz, dont le groupe de recherche au PSI est expert en biologie structurale des microtubules, explique : « Entre microtubule et protéine motrice, il doit y avoir une colle. Sans elle, si le microtubule se détache, vous vous retrouverez avec une cellule fille avec pas de matériel génétique qui ne survivra pas. »
Accouplement flexible de la nature
Chez la levure, trois protéines, qui forment le cœur du réseau dit Kar9, décorent la pointe des microtubules afin de réaliser ce couplage. La manière dont ils obtiennent les propriétés matérielles nécessaires semble contredire la compréhension traditionnelle des interactions protéiques.
Une question qui a longtemps intrigué les scientifiques était de savoir comment les trois protéines centrales du réseau Kar9 restent attachées à la pointe des microtubules même lorsque des sous-unités de tubuline sont ajoutées ou supprimées : équivalent au crochet à l’extrémité d’un câble de remorquage restant en place tandis que des sections adjacentes de câble sont insérées. ou coupé. Ici, leur découverte apporte une réponse : comme une goutte de colle liquide s’accrocherait au bout d’un crayon, ce « liquide » protéique peut s’accrocher à l’extrémité du microtubule alors même qu’il grossit ou rétrécit.
Les chercheurs ont découvert que pour obtenir cette propriété liquide, les trois protéines centrales du réseau Kar9 collaborent à travers un réseau d’interactions faibles. Comme les protéines interagissent à un certain nombre de points différents, si une interaction échoue, d’autres restent et la «colle» persiste en grande partie. Cela confère la flexibilité nécessaire au microtubule pour rester attaché à la protéine motrice même sous tension, pensent les chercheurs.
Pour faire leur découverte, les chercheurs ont méthodiquement sondé les interactions entre les trois composants protéiques du réseau Kar9. Sur la base des connaissances structurelles obtenues au Swiss Light Source SLS lors d’études précédentes, ils pourraient muter les protéines pour supprimer sélectivement les sites d’interaction et observer les effets. in vivo et in vitro.
En solution, les trois protéines se sont réunies pour former des gouttelettes distinctes, comme de l’huile dans l’eau. Pour prouver que cela se produisait dans les cellules de levure, les chercheurs ont étudié l’effet des mutations sur la division cellulaire et la capacité des protéines à suivre l’extrémité d’un microtubule en rétrécissement.
« Il était assez simple de prouver que les protéines interagissaient pour former un condensat liquide in vitro. Mais ce fut un énorme défi de fournir des preuves convaincantes que c’est ce qui se passait in vivoce qui nous a pris plusieurs années », explique Steinmetz, qui a d’abord postulé l’idée d’une « colle protéique liquide » pour les protéines de liaison à l’extrémité des microtubules avec un collègue des Pays-Bas dans une publication de synthèse de 2015.
Pas votre colle polyvalente standard
Barral est frappé par la sophistication de la colle. « Ce n’est pas seulement une colle, mais c’est une colle intelligente, qui est capable d’intégrer des informations spatiales pour se former uniquement au bon endroit. » Dans l’enchevêtrement complexe de microtubules identiques dans le cytoplasme cellulaire, un seul microtubule reçoit la gouttelette qui lui permet de se fixer au câble d’actine et de mettre en place l’information génétique. « La manière dont la nature parvient à assembler une structure complexe à l’extrémité d’un seul microtubule, et pas d’autres, est ahurissante », souligne-t-il.
Les chercheurs pensent que la propriété liquide des protéines joue un rôle important dans l’obtention de cette spécificité. De la même manière que de petites gouttelettes d’huile dans une vinaigrette fusionnent, ils émettent l’hypothèse que de petites gouttelettes se forment initialement sur de nombreux microtubules, qui convergent ensuite d’une manière ou d’une autre pour former une gouttelette plus grosse sur un seul microtubule. Comment exactement cela est réalisé reste un mystère et fait l’objet d’enquêtes dans les équipes de Steinmetz et Barral.