Les scientifiques ont créé un modèle structurel tridimensionnel sans précédent d'une «machine» moléculaire clé connue sous le nom de complexe BAF, qui modifie l'architecture de l'ADN et est fréquemment mutée dans le cancer et certaines autres maladies.
Les chercheurs, dirigés par Cigall Kadoch, PhD, du Dana-Farber Cancer Institute, ont rapporté la première « image » structurelle en 3-D de complexes BAF purifiés directement à partir de cellules humaines dans leurs états natifs – plutôt que synthétisés artificiellement en laboratoire – fournissant une opportunité de cartographier spatialement des milliers de mutations associées au cancer à des emplacements spécifiques du complexe.
«Un modèle structurel en 3-D, ou 'image', de la façon dont ce complexe ressemble réellement à l'intérieur du noyau de nos cellules est resté insaisissable – jusqu'à présent,» dit Kadoch. Le modèle nouvellement obtenu représente « l'image la plus complète du complexe BAF humain réalisée à ce jour », ont déclaré les enquêteurs, rapportant dans le journal Cellule.
Ces nouvelles découvertes « fournissent une base essentielle pour comprendre les mutations associées aux maladies humaines dans les composants du complexe BAF, qui sont présentes dans plus de 20% des cancers humains et dans plusieurs déficiences intellectuelles et troubles neurodéveloppementaux », ont déclaré les auteurs.
Ces informations pourraient aider les scientifiques à comprendre comment les mutations des protéines composant le complexe entraînent une perturbation de la régulation normale de l'ADN et donc l'expression de gènes dans les cellules, provoquant potentiellement une croissance cancéreuse des cellules pour former des tumeurs.
Les mutations dans le complexe BAF, par exemple, sont la seule cause de cancers infantiles rares tels que le sarcome synovial et le rhabdoïde malin, et contribuent aux cancers courants tels que les cancers de l'ovaire et du poumon.
Le complexe BAF est une «machine moléculaire», un groupe de protéines qui remodèlent la façon dont l'ADN est conditionné dans les cellules. Il est composé d'une dizaine de sous-unités protéiques spécifiées par 29 gènes différents. Les tentatives précédentes pour obtenir un modèle structurel 3-D du complexe BAF étaient basées sur des molécules de protéines conçues de manière recombinante en laboratoire, «qui étaient incapables de recréer l'ensemble du complexe», explique Kadoch.
Elle a déclaré qu'elle et ses collègues tentaient de résoudre la structure 3D du BAF depuis 2014, leur objectif principal étant un modèle structurel qui pourrait les aider à informer sur l'impact des mutations et, finalement, à classer les mutations en fonction de leur emplacement. sur la « photo » de BAF. Extraire des complexes BAF à partir de cellules humaines était un défi énorme: «nous avons conçu une nouvelle façon de purifier ces complexes – cela a pris des années», dit-elle.
Le BAF est l'une des nombreuses «machines» moléculaires qui régulent l'expression des gènes dans les cellules en modifiant la chromatine, une substance composée d'ADN et de protéines. La chromatine conditionne le long brin d'ADN contenant des gènes en unités plus condensées.
Une seule cellule contient des centaines de milliers de complexes modifiant la chromatine, dont le BAF est un type. Les mutations du BAF, bien qu'elles ne modifient pas le code ADN des gènes pour provoquer le cancer, perturbent la topologie et l'accessibilité de l'ADN, conduisant à une expression génique aberrante et à la croissance de tumeurs malignes.
En utilisant plusieurs nouveaux outils analytiques puissants en combinaison, les chercheurs ont produit un modèle de la structure du complexe BAF à la fois sous la forme d'un complexe isolé et sous la forme que le BAF prend lorsqu'il se lie aux nucléosomes – des unités de chromatine en forme de bobine autour desquelles des segments d'ADN sont enroulés. La liaison aux nucléosomes est nécessaire pour que les complexes BAF remodèlent la chromatine et influencent l'expression des gènes.
L'un des outils les plus récents et les plus utiles que les chercheurs ont utilisés pour obtenir la structure du BAF lié aux nucléosomes est appelé cryo-EM, une forme de microscopie électronique qui peut créer des modèles à haute résolution de molécules dans leur environnement natif, et que les scientifiques disent être révolutionnant le domaine de la biologie structurale. Les développeurs de cryo-EM ont remporté un prix Nobel en 2017.
Dans ce cas, les complexes BAF humains étaient trop hétérogènes et flexibles pour que la méthode produise à elle seule une structure haute résolution, mais lorsqu'elle est associée à deux autres méthodes, connues sous le nom de spectrométrie de masse réticulée et de modélisation d'homologie, la connectivité structurelle entre le les sous-unités sont devenues plus claires.
Kadoch et ses collègues rapportent que le complexe BAF est composé de trois modules qui forment une forme en «C» et saisissent le nucléosome sur des côtés opposés comme une pince en C de charpentier tient des morceaux de bois ensemble.
Ils ont découvert que les deux régions de la structure BAF qui agrippent le nucléosome sont des «points chauds» où des mutations cancérigènes se produisent fréquemment et ont utilisé des expériences pour montrer comment les mutations perturbent la régulation normale de la chromatine par les complexes BAF.
Le groupe a également trouvé d'autres emplacements dans le complexe pour savoir où les mutations cancéreuses connues, contenues dans une base de données connue sous le nom de COSMIC (le catalogue des mutations somatiques dans le cancer), structurellement «cluster» et résolu leurs fonctions.
Cartographier ces mutations sur la structure du complexe BAF et comprendre leur impact fonctionnel est resté un objectif majeur non atteint du domaine en général pendant des décennies. Cela marque le début d'une ère dans laquelle nous pourrons «grouper» fonctionnellement les mutations qui définissent les caractéristiques spécifiques de la tumeur et éclairent les opportunités thérapeutiques. «
Cigall Kadoch, PhD, Institut du cancer Dana-Farber
La source:
Institut du cancer Dana-Farber
Référence du journal:
Mashtalir, N., et al. (2020) Un modèle structurel du complexe BAF humain endogène informe les mécanismes de la maladie. Cellule. doi.org/ 10.1016 / j.cell.2020.09.051.
