Les ribosomes sont les usines de protéines de la cellule, qui lisent le code génétique et assemblent les protéines dont chaque organisme a besoin pour vivre. Mais quant à la façon dont les ribosomes eux-mêmes se sont formés, on en sait très peu.
Aujourd’hui, les scientifiques ont capturé un élément clé de ce processus, en mouvement. Les résultats, publiés dans Naturecombinent l'intelligence artificielle, la cryomicroscopie électronique et la génétique pour révéler, avec des détails sans précédent, comment les cellules coordonnent, régulent et sauvegardent la création de la petite sous-unité ribosomale, une machine centrale à la formation de chaque protéine.
Nous avons enfin un film moléculaire de la formation des ribosomes : nous avons atteint le stade où nous pouvons voir comment tout cela se connecte. »
Sebastian Klinge, chef du laboratoire de chimie des protéines et des acides nucléiques
« Plutôt que de s'appuyer sur quelques instantanés des différentes étapes de la formation des ribosomes, ce film nous permet de voir, à chaque étape, comment les choses changent et ce qui affecte ces changements », ajoute Olga Buzovetsky, chercheuse associée au laboratoire de Klinge. « Ce travail nous rapproche de la révélation d'un mécanisme global sur la manière dont ces usines protéiques fondamentales se réunissent. »
Construire un ribosome
Depuis plus d’une décennie, Klinge tente de répondre à l’une des questions les plus fondamentales de la biologie moléculaire : comment les cellules construisent les ribosomes. Les ribosomes sont si essentiels à la vie que chaque cellule consacre une grande partie de son énergie à leur fabrication. Pourtant, le processus d'assemblage de leurs milliers de parties moléculaires a longtemps été trop complexe et éphémère pour être capturé en action.
Dans des travaux récents, le laboratoire de Klinge a contribué à expliquer comment ce processus est organisé au sein du nucléole, l'usine à ribosomes de la cellule, en montrant que l'architecture en couches distinctive du nucléole émerge de la manière dont l'ARN est traité et replié au cours de la formation du ribosome. « Nous essayions essentiellement de comprendre comment fonctionne le nucléole », explique Klinge. « Et nous avons pu montrer que ce n'est pas du vaudou ou de la magie : il existe des interactions protéine-protéine et protéine-ARN distinctes qui régissent la forme et les fonctions des organites. »
Mais malgré tous ces progrès, il manquait encore un élément : un moyen d’aller au-delà des instantanés statiques de la formation des ribosomes et de capturer la séquence continue d’événements moléculaires qui transforment une particule ribosomale immature en une sous-unité finie prête à l’action. Nulle part cet écart n’a été plus flagrant que dans la formation de la petite sous-unité ribosomale (SSU). Klinge et ses collègues savaient que le précurseur du SSU devait subir une série complexe d'étapes de remodelage et de contrôle de qualité avant de devenir la sous-unité ribosomale responsable du décodage des gènes et, finalement, de la production de protéines. Mais les mécanismes régissant ces transitions étaient insaisissables. Des instantanés ont révélé qu’un certain facteur doit garantir que le cheminement vers la formation des SSU avance et ne recule jamais ; des travaux antérieurs avaient suggéré que deux enzymes hélicase, Mtr4, un composant de la machinerie de dégradation de l'ARN connue sous le nom d'exosome et Dhr1, un facteur d'assemblage, coordonnaient le processus. Mais comment tout cela s’articulait restait un mystère.
« Pendant longtemps sur le terrain, tout ce que nous savions, c'est que certaines protéines partiraient et que d'autres rejoindraient », explique Buzovetsky. « Mais nous n'avions aucune idée du pourquoi ni du comment cela s'était produit. »
Un film moléculaire
Pour combler cette lacune, l'équipe de Klinge a combiné l'intelligence artificielle, la biologie structurale et la génétique dans une approche qui a commencé par le calcul plutôt que par l'expérimentation. En utilisant AlphaFold, un puissant programme d’IA qui prédit les formes 3D des protéines et leurs interactions, ils ont modélisé plus de 3 500 interactions possibles entre les molécules qui construisent le ribosome. Ces prédictions ont servi de feuille de route, aidant les chercheurs à identifier les interactions à tester en laboratoire et à concevoir des expériences qui permettraient de capturer le processus en action. Guidée par ces connaissances de l’IA, l’équipe a ensuite conçu des cellules de levure afin que les protéines d’assemblage clés puissent être étiquetées et suivies. À l’aide de la cryomicroscopie électronique, ils ont collecté plus de 200 000 instantanés et reconstruit seize structures 3D distinctes montrant chaque étape de l’assemblage de la petite sous-unité ribosomale.
« Il s'agit de l'un de nos premiers articles reposant sur une véritable base d'IA », déclare Klinge. « Au lieu de faire de la génétique et de la biochimie pour résoudre des structures, nous avons essentiellement commencé avec l'IA et utilisé ses prédictions structurelles pour concevoir des expériences génétiques et biochimiques. Ainsi, l'IA a contribué à accélérer les découvertes initiales et a permis d'établir des hypothèses testables. »
Le résultat fut un « film moléculaire » quasi continu sur la façon dont cette machine essentielle prend forme. Au cours de seize étapes, les chercheurs ont observé l'enzyme Mtr4 agir comme un moteur moléculaire, décomposant une partie de l'ARN pour faire avancer le processus. Cette étape irréversible a déclenché une réaction en chaîne de réarrangements et de libérations de protéines qui ont permis à l’assemblage de se déplacer dans une direction. Le film a également révélé le rôle d'Utp14, une protéine flexible qui sert de coordinateur central en positionnant et en activant l'hélicase Dhr1. Une fois passé à son état actif, Dhr1 se déroule et supprime un chaperon d’ARN, complétant ainsi l’étape finale.
L'étude a également révélé un système élaboré de garanties intégrées. L'exosome d'ARN reste attaché à la sous-unité ribosomale en croissance tout au long de l'assemblage, surveillant de près sa progression. À mesure que la construction touche à sa fin, ces connexions se libèrent progressivement et l'exosome passe en mode contrôle qualité, inspectant chaque particule finie pour s'assurer que seuls les ribosomes pleinement fonctionnels passent à l'étape suivante.
« Nous avons parcouru un long chemin », réfléchit Klinge. « En 2013, nous n'avions rien d'autre qu'une liste de noms de facteurs importants dans la formation des ribosomes. Cela a conduit à une chronologie expliquant l'ordre dans lequel ces facteurs sont apparus, et qui a conduit à des structures à basse résolution. Puis sont venues les structures à haute résolution, puis les ensembles approximatifs d'états – maintenant c'est un film continu. »
Les résultats marquent une étape à la fois scientifique et technologique. « Nous ne regardons plus des instantanés du début, du milieu et de la fin de la formation des ribosomes », explique Buzovetsky. « Nous sommes plutôt capables de comprendre comment l'ARN et les protéines interagissent et se parlent tout au long du processus de biogenèse des ribosomes. »
L’étude met également en valeur la puissance de la biologie structurale basée sur l’IA et redéfinit la manière dont les systèmes moléculaires complexes peuvent être étudiés. En associant l'intelligence artificielle, l'imagerie haute résolution et la génétique, l'équipe de Klinge a créé un nouveau modèle de découverte, capable de suivre le mouvement moléculaire en temps réel. Ensuite, le laboratoire vise à utiliser son modèle basé sur l’IA pour étendre ce travail à des étapes encore plus précoces de l’assemblage des ribosomes et aux systèmes de contrôle qualité qui évitent les erreurs dans la formation des ribosomes. « Avec les outils dont nous disposons désormais, nous sommes en mesure d'atteindre le type de résolution dont nous avons besoin pour mieux comprendre ces processus », a déclaré Buzovetsky.
Enfin, l’ouvrage offre un aperçu d’un moment fondamental de la biologie : celui où les composants moléculaires s’assemblent pour créer quelque chose qui peut soutenir la vie. Chaque organisme vivant, des bactéries aux humains, dépend des ribosomes pour fabriquer les protéines nécessaires à la croissance, à la réparation et à la survie. En révélant ce processus avec des détails sans précédent, l’étude rapproche les scientifiques de la compréhension de la manière dont la chimie de la vie devient sa machinerie. Ce faisant, les chercheurs découvrent non seulement comment une machine essentielle est construite, mais tracent également une voie vers la visualisation du fonctionnement interne de la vie au fur et à mesure qu'il se produit, un cadre moléculaire à la fois.
« La formation de ribosomes à partir de matière non vivante est probablement la chose la plus proche des origines de la vie que nous connaissions », explique Klinge. « Les ribosomes ne sont pas tout à fait vivants, mais lorsque nous étudions leur biogenèse, nous avons un aperçu du moment où quelque chose qui n'est pas vivant commence à se sentir vivant. »
