Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI sont parvenus à élucider la structure de certains photorécepteurs. Avec leur aide, il sera peut-être possible d’activer et de désactiver les activités cellulaires grâce à la lumière. Cette capacité pourrait devenir un outil important dans la recherche biologique et les applications médicales.
Les chercheurs en biologie et en médecine rêvent depuis longtemps de contrôler les activités des cellules sans, par exemple, avoir recours à des produits chimiques. En effet, dans une structure aussi complexe qu’un organisme entier, des effets secondaires indésirables peuvent souvent survenir. La solution idéale serait donc une sorte de télécommande pour les cellules, qui permettrait de mieux examiner et comprendre les fonctions de chaque organe, et pourrait même être utilisée à des fins thérapeutiques. Une télécommande utilisant la lumière serait idéale pour cela, car elle permettrait d’influencer les organes et les tissus profonds du corps de manière très sélective et non invasive. Cependant, un tel processus nécessite également un récepteur cellulaire de lumière dans les organes concernés. Les récepteurs qui reçoivent les impulsions lumineuses dans la rétine de nos yeux – appelés rhodopsines – pourraient convenir à cet effet. Avec de tels photorécepteurs, il pourrait être possible d’activer et de désactiver certaines fonctions cellulaires à l’aide d’une impulsion lumineuse. Cela agirait plus rapidement et de manière plus ciblée que les médicaments, qui mettent beaucoup de temps à agir et ont souvent des effets secondaires indésirables car ils ne peuvent pas être simplement activés dans un seul organe spécifique.
Dans les neurosciences, quelque chose de similaire fonctionne déjà et est actuellement testé sur des modèles animaux pour étudier des maladies cérébrales telles que la maladie de Parkinson et l'épilepsie : des canaux ioniques contrôlés par la lumière provenant d'organismes unicellulaires sont incorporés dans les neurones grâce au génie génétique. Dans le modèle animal, ces canaux ioniques de la membrane cellulaire s’ouvrent par exemple lorsqu’ils sont exposés à la lumière bleue et permettent aux ions chargés positivement de circuler dans le neurone. Dans une réaction en chaîne, d'autres canaux s'ouvrent, créant un signal électrique : le neurone devient actif.
Sommaire
Un nouveau type d'optogénétique
Mais ces canaux ioniques contrôlés par la lumière ne fonctionnent que dans les cellules nerveuses. Le but de cette recherche est cependant de stimuler d’autres cellules et organes de l’organisme pour contrôler diverses fonctions corporelles. Par exemple, on pourrait étudier le stimulateur cardiaque naturel du cœur ou les mécanismes de la douleur chronique, de l'anxiété, de la dépression et d'autres maladies mentales. Il pourrait être possible de développer des thérapies cellulaires efficaces contre les dysfonctionnements hormonaux ainsi que contre les maladies immunitaires, cardiaques et autres, notamment le cancer.
À cette fin, les chercheurs dirigés par Gebhard Schertler du Centre des sciences de la vie du PSI travaillent sur un nouveau type d'optogénétique. Dans cette approche, ce sont les récepteurs de lumière similaires aux rhodopsines de notre rétine qui deviennent actifs : déclenchés par une impulsion lumineuse, ils se couplent aux protéines de la cellule et déclenchent ainsi des processus de signalisation cellulaire spécifiques qui ont lieu dans tous les organes. Les chercheurs du PSI ont uni leurs forces à celles de collègues de renom en Allemagne et en Angleterre. ensemble, ils ont reçu une subvention ERC très convoitée : un financement de près de huit millions d’euros du Conseil européen de la recherche. Leur projet, Switchable rhodOpsins in Life Sciences (SOL), a trois objectifs : 1. Trouver des rhodopsines capables de faire cela et élucider leur structure pour mieux comprendre leur fonctionnement. 2. Modifier ces rhodpsines, à l'aide de méthodes de biologie moléculaire, pour les optimiser afin de changer de processus dans diverses fonctions corporelles. 3. Utiliser les interrupteurs pour mieux comprendre les mécanismes de signalisation des protéines ; les utiliser comme outil de recherche et, sur cette base, développer des thérapies géniques.
Grâce à ses grandes installations de recherche à haute résolution, l'élucidation structurale des protéines est une compétence essentielle du PSI. Et les chercheurs du PSI ont fait deux pas importants vers le premier objectif de SOL, comme ils le rapportent dans deux nouvelles études : premièrement, ils ont réussi à trouver une rhodopsine appropriée et à la modifier de telle manière qu'elle reste stable à l'état actif et puisse ainsi être examiné. Deuxièmement, la structure de cet état actif a été clarifiée à l’aide d’un microscope cryoélectronique à l’ETH Zurich.
Un interrupteur qui se plie et s'étire
Les rhodopsines sont des protéines. Ils font partie des photorécepteurs les plus importants du monde animal. Ils ont une molécule allongée au milieu, appelée rétinienne, qui est dérivée de la vitamine A. Lorsqu'une impulsion lumineuse frappe cette molécule, elle absorbe l'énergie et change de forme en un quadrillionième de seconde. Une molécule incurvée – appelée forme 11-cis – devient une molécule allongée – appelée forme tout-trans. Grâce à cette transformation, la rétine modifie également la structure de la rhodopsine entière, de sorte qu'elle puisse désormais se lier à d'autres protéines de la membrane cellulaire, appelées protéines G. Ces rhodopsines sensibles à la lumière appartiennent donc également à la famille des GPCR (G Protein-Coupled Receiver), car les complexes rhodopsine-protéine G stimulent la réaction d'autres protéines, déclenchant toute une série de processus biochimiques conduisant par exemple à la transmission d'un signal visuel au cerveau.
Le corps humain possède des centaines de types différents de GPCR, situés dans les membranes cellulaires, recevant des signaux de l'extérieur et les transmettant à l'intérieur de la cellule. Ils contrôlent ainsi de nombreuses fonctions corporelles. C'est pourquoi environ 40 % de tous les médicaments ciblent les GPCR dont les ingrédients actifs s'ancrent sur leurs récepteurs.
L'avantage des photorécepteurs simples
Les rhodopsines se trouvent dans la rétine de l'œil humain. Dans les cellules en bâtonnets, par exemple, elles sont chargées de faire la distinction entre la lumière et l’obscurité la nuit. Cependant, comme celles de la plupart des vertébrés, ces rhodopsines sont monostables. Cela signifie qu’une fois que la rétine a été modifiée par la lumière, elle quitte la protéine et doit être régénérée. Ce n'est qu'alors qu'il est disponible pour le prochain processus de commutation. C’est trop compliqué pour permettre à cette molécule d’être utilisée efficacement comme interrupteur optogénétique, car il faudrait également utiliser des enzymes pour la régénérer.
De nombreux invertébrés, tels que les calmars, les insectes et les araignées, possèdent des rhodopsines bistables. «D'un point de vue évolutif, il s'agit en réalité d'une forme de rhodopsine plus primordiale et moins sensible», explique Gebhard Schertler. Ils offrent cependant des avantages pour l'optogénétique : la rétine reste dans la protéine après avoir été allumée et, avec une seconde impulsion lumineuse, elle peut immédiatement revenir à sa forme initiale et arrêter à nouveau le processus cellulaire.
La rhodopsine d’une espèce d’araignée sauteuse, par exemple, s’est révélée robuste et facile à produire, contrairement aux autres rhodopsines bistables. Cela l’a qualifié de possible commutateur optogénétique.
La source de lumière suisse SLS du PSI a permis de déterminer la structure moléculaire de cette rhodopsine d'araignée dans son état fondamental inactif. Mais avant de pouvoir l’utiliser comme interrupteur optogénétique, il fallait également connaître avec précision sa structure sous sa forme active. Cependant, cet état, lorsque la rétine est étirée et que la rhodopsine se lie à la protéine G, est extrêmement de courte durée.
Comment rendre les protéines heureuses
Dans une étude récemment parue dans la revue PNASl'auteur principal Matthew Rodrigues rapporte maintenant comment ils ont réussi à stabiliser l'état actif pour pouvoir élucider sa structure : en apportant une infime modification à la rétine. «Les propriétés du rétinien restent les mêmes, mais la modification – un petit anneau moléculaire supplémentaire – garantit qu'il s'intègre apparemment mieux dans la poche de liaison de la protéine», rapporte Rodrigues. «Il y reste des heures. Comme nous le disons, nous, biologistes structuraux, c'est heureux.» Les conditions étaient désormais réunies pour examiner la structure de la rhodopsine active en conjonction avec une protéine G.
Une protéine mixte
Dans une deuxième étude, maintenant publiée dans Communications naturellesle premier auteur Oliver Tejero et le dernier auteur Ching-Ju Tsai ont fait exactement cela. «Cependant, comme prévu, il a été constaté qu'une protéine d'araignée (rhodopsine) ne s'adapte naturellement jamais de manière optimale à une protéine humaine (la protéine G)», explique Tsai. «Nous avons donc comparé les protéines G de l'araignée avec celles des humains et assemblé une chimère à partir des deux formes.» Les chercheurs ont remplacé la partie terminale de la séquence génétique de la protéine humaine, qui contient le code du site d'accueil, par celle de l'araignée.
Avec des modifications génétiques supplémentaires dans le récepteur de lumière lui-même, ils ont résolu un autre problème : les rhodopsines d’araignée sont à la fois activées et désactivées par la lumière de la même longueur d’onde. «Cela signifie qu'une impulsion lumineuse produit un mélange désespéré d'états activés et désactivés dans un échantillon cellulaire», explique Tsai. Naturellement, cela n’est pas bon pour un interrupteur destiné à s’allumer ou s’éteindre de manière ciblée. «Grâce à nos modifications, nous avons veillé à ce que l'allumage et l'extinction s'effectuent désormais avec différentes couleurs de lumière.»
Cependant, ce « réglage des couleurs » par le biais du génie génétique ne fait que commencer. La prochaine étape de la recherche fondamentale sur ces nouveaux commutateurs optogénétiques consistera désormais à découvrir comment les protéines impliquées doivent être conçues pour permettre un contrôle utilisant d’autres couleurs de lumière. Cela permettrait alors d’activer ou de désactiver de manière sélective différentes fonctions cellulaires. Il s'agit également de construire les interrupteurs de manière à ce qu'ils soient sensibles non seulement à la lumière bleue, orange et verte, mais aussi, par exemple, à la lumière infrarouge. «La grande question demeure, si l'optogénétique doit réellement être utilisée dans la pratique médicale quotidienne, de savoir comment la lumière parviendra à la rhodopsine», explique Matthew Rodrigues. « Vous pourriez implanter la source de lumière dans le corps. Mais la méthode la plus élégante et la plus douce serait de travailler avec la lumière infrarouge. Cela peut pénétrer dans les tissus corporels.»
La plus grande partie de l'ingénierie des protéines, confirme le chef du projet Gebhard Schertler, est encore à venir, maintenant que les bases structurelles sont connues. À terme, l’objectif est de constituer un kit complet d’assemblage de GPCR activés par la lumière pouvant être utilisés à diverses fins dans l’organisme.