En 2018, le laboratoire de Christine Mayr, MD, PhD, du Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSK) a présenté au monde un composant cellulaire clé qui se cachait à la vue de tous.
Le laboratoire est désormais de retour avec des résultats importants qui s’appuient sur cette découverte. De nouveaux résultats publiés dans Cellule moléculaire fournir des détails sur l’organisation cachée du cytoplasme – ; la soupe de liquide, d’organites, de protéines et d’autres molécules à l’intérieur d’une cellule. La recherche montre que l’endroit où l’ARN messager (ARNm) est traduit en protéines dans ce bouillon cellulaire fait une grande différence.
« Vous connaissez le vieux dicton immobilier : « emplacement, emplacement, emplacement ». Il s’avère que cela s’applique également à la façon dont les protéines sont fabriquées à l’intérieur des cellules », explique le Dr Mayr, biologiste moléculaire et cellulaire au Sloan Kettering Institute, un centre de recherche fondamentale et translationnelle au sein de MSK. « Si c’est traduit ici, vous obtenez deux fois plus de protéines que si c’est traduit là-bas. »
Cette étude, première du genre, met en évidence à quel point le cytoplasme est « magnifiquement organisé », plutôt que d’être simplement un gros fouillis de choses, dit-elle.
Non seulement les résultats apportent un nouvel éclairage sur la biologie cellulaire fondamentale, mais ces connaissances sont également prometteuses pour augmenter ou modifier la production de protéines dans les vaccins et les thérapies à ARNm, notent les chercheurs.
L’étude a été dirigée par Ellen Horste, PhD, ancienne membre du laboratoire, que Mayr a sollicitée pour ce projet intimidant mais passionnant lorsqu’elle a rejoint le laboratoire il y a plusieurs années. Le Dr Horste a obtenu son doctorat à la Gerstner Sloan Kettering Graduate School en juin et travaille désormais pour une entreprise de thérapie génique.
Au début, nous avons eu du mal à trouver des financements pour ce projet. Tout le monde pensait qu’il serait totalement impossible d’isoler les composants individuels. C’était vraiment le projet d’Ellen depuis son premier jour dans le laboratoire jusqu’à son dernier jour. C’était un véritable défi et je ne pourrais pas être plus fier d’elle. »
Dr Christine Mayr, MD, PhD, au Memorial Sloan Kettering Cancer Center
En adaptant une approche couramment utilisée par les immunologistes, l’équipe a pu coder par couleur les particules individuelles dans les cellules à l’aide d’anticorps, puis les trier par couleur. Ils ont utilisé le séquençage de l’ARN pour identifier quels ARN étaient associés à quelles particules.
« Et c’était vraiment frappant de voir que dans chacun de ces quartiers intracellulaires, des types très différents d’ARNm étaient traduits », explique le Dr Mayr.
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Bienvenue dans le quartier cellulaire
La plupart des composants bien connus à l’intérieur d’une cellule ont une forme définie et sont enveloppés dans une membrane extérieure : le noyau, les mitochondries, les lysosomes, l’appareil de Golgi.
Deux des composants clés au cœur de l’étude de l’équipe Mayr n’ont pas de membranes – ; c’est ce qui les a rendus si difficiles à trouver en premier lieu, et un défi à isoler et à étudier en laboratoire.
Un aperçu rapide de la biologie : les cellules construisent des protéines à l’aide d’instructions codées dans l’ADN. Ces séquences d’ADN sont transcrites en ARNm à l’intérieur du noyau cellulaire. Ces ARN messagers se déplacent ensuite vers le cytoplasme où ils sont traduits en une protéine utile.
La nouvelle étude a démontré que l’endroit où se produit cette étape de traduction dans le cytoplasme n’est pas aléatoire et qu’il existe une logique ou un « code » sous-jacent qui dirige les ARNm vers des quartiers spécifiques de la cellule.
« L’ensemble du cytoplasme est bien compartimenté », explique le Dr Mayr. « Nous avons pu démontrer qu’il existe un code à l’œuvre basé sur les caractéristiques biophysiques de l’ARNm – ; leur taille et leur forme – ; et les protéines particulières de liaison à l’ARN avec lesquelles elles s’associent. Ce code dirige les ARNm vers différents emplacements pour la traduction. «
Enquête sur la traduction à 3 endroits à l’intérieur de la cellule
Grâce à une série d’expériences minutieuses, l’équipe de recherche a pu montrer que les ARNm de différentes longueurs et formes ont tendance à graviter vers des quartiers spécifiques. Et que si vous intervenez pour les rediriger vers un endroit différent, cela peut avoir un impact profond sur la quantité de protéine produite et sur la fonction de la protéine.
Les chercheurs ont examiné les ARNm localisés à la surface du réticulum endoplasmique (un organite impliqué dans la synthèse des protéines et d’autres fonctions cellulaires). Il est bien établi que les protéines associées aux membranes cellulaires et celles sécrétées par la cellule pour être utilisées ailleurs y sont traduites. La recherche a révélé que près de 15 % des ARNm codant pour des protéines non membranaires sont également traduits au RE – ; et ils codent pour des protéines volumineuses et hautement exprimées.
Pendant ce temps, les ARNm traduits dans le cytosol (la partie liquide du cytoplasme) ont tendance à être de très petites protéines.
Et les ARNm qui se localisent sur les granules TIS ont tendance à être des facteurs de transcription (des protéines qui régulent la transcription des gènes). Les granules TIS sont un composant cellulaire sans membrane découvert par le laboratoire de Mayr en 2018. Ils forment un réseau de protéines et d’ARNm interconnectés et sont étroitement alliés au réticulum endoplasmique, formant un espace distinct où l’ARNm et les protéines peuvent se rassembler et interagir.
Une image de microscopie fluorescente d’une cellule, avec les granules de TIS représentés en rouge et le réticulum endoplasmique en vert. La zone noire centrale est le noyau de la cellule.
Déchiffrer le code
Le déchiffrage du code permettant de localiser l’ARNm à différents endroits a révélé des découvertes surprenantes.
Après avoir découvert le réseau de granules TIS il y a cinq ans, le laboratoire s’est concentré sur la compréhension de ceux parmi les milliers d’ARNm d’une cellule qui s’y localisent et s’ils ont des caractéristiques communes.
L’équipe s’est concentrée sur une partie de l’ARNm qui n’attire généralement pas beaucoup d’attention – ; la queue. Il est distinct de la partie médiane de l’ARNm, qui contient les instructions permettant de construire la protéine. Les scientifiques appellent la queue les trois principales régions non traduites (3′ UTR), et elle s’avère essentielle au processus de localisation.
« La queue contient généralement une séquence plus longue que la partie de l’ARN réellement utilisée pour fabriquer la protéine », explique le Dr Mayr. « Mais pendant longtemps, les gens n’ont pas prêté beaucoup d’attention aux régions de la queue, car on peut toujours fabriquer des protéines sans elles. » (Ils sont également importants à d’autres égards, comme l’a souligné le Dr Mayr dans un article de synthèse de 2019.)
Il s’avère que la queue est essentielle pour s’associer aux protéines de liaison à l’ARN afin que, ensemble, l’ARNm se dirige vers la région de traduction correcte au sein de la cellule. (Les protéines liant l’ARN sont un type de protéine qui s’attache aux molécules d’ARN et peut moduler divers aspects de leur activité.)
Au début, l’équipe pensait que c’était principalement ces protéines de liaison à l’ARN qui dirigeaient l’action – ; guider les ARNm vers le quartier un, le quartier deux, et ainsi de suite, explique le Dr Mayr.
« Mais la découverte la plus surprenante est que les protéines liant l’ARN jouent en réalité un rôle secondaire plutôt que principal dans le processus », dit-elle.
Les chercheurs ont découvert que le tri par défaut des ARNm vers un emplacement est basé sur la taille et la forme globales des ARNm. Mais être en partenariat avec une protéine de liaison peut contourner ce défaut et les rediriger.
« Nos données montrent que si vous traduisez un ARNm dans les granules TIS, la protéine résultante remplira une fonction, et si vous la traduisez en dehors des granules TIS, elle remplira une fonction différente », dit-elle. « Et c’est ainsi que, dans les organismes supérieurs comme nous, une protéine peut avoir plus d’une fonction. »
Vers de futures applications
Une protéine spécifique que l’équipe a examinée au cours de l’étude est MYC. Le gène MYC est l’un des oncogènes les plus connus et les mutations de MYC sont à l’origine du développement de nombreux cancers.
« Nous avons observé que plusieurs complexes protéiques MYC ne se formaient que lorsque l’ARNm de MYC était traduit dans les granules et non lorsqu’il était traduit dans le cytosol », explique le Dr Mayr. « Nos résultats montrent qu’il existe une pertinence biologique importante pour ces quartiers, même lorsque seulement 20 % environ des ARNm sont traduits dans les granules TIS. »
Ensemble, ces informations suggèrent que l’ARNm pourrait être ciblé pour remplir différentes fonctions, ainsi que pour faire varier la quantité d’une protéine produite, ajoute-t-elle.
« Nous espérons donc qu’à l’avenir nous pourrons créer des médicaments plus intelligents en exploitant plus ou moins un facteur particulier, mais aussi en manipulant sa fonction », explique le Dr Mayr. « Cela n’arrivera probablement pas dans les cinq prochaines années, mais c’est quelque chose que nous préparons la voie à suivre. »
