Une enzyme métabolique étudiée depuis plus de sept décennies a une deuxième fonction cachée : elle peut dérouler l'ARN et favoriser la progression du cycle cellulaire, une fonction supplémentaire au-delà de son rôle dans la production d'énergie, selon une nouvelle étude menée par l'Université de Surrey.
La phosphofructokinase (PFK) est le « gardien » de la glycolyse, l'ancienne voie métabolique conservée au cours de l'évolution qui décompose le sucre pour générer de l'énergie. Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, PFK est composée de deux sous-unités : Pfk1 (α) et Pfk2 (β). Bien que les deux soient depuis longtemps considérés comme des partenaires métaboliques, l’équipe dirigée par Surrey a découvert que Pfk2 possède une capacité totalement distincte. Il lie des centaines d’ARN messagers (ARNm) à l’intérieur des cellules, déroule les ARN double brin courts dans une direction spécifique et favorise activement la traduction des gènes qui pilotent la division cellulaire.
Publiée dans Nucleic Acids Research, l'étude montre que sans Pfk2, les cellules de levure se développent plus lentement, deviennent beaucoup plus grandes et luttent pour passer de la phase G1 à la phase S du cycle cellulaire – un point de transition critique où les cellules s'engagent dans la division. Surtout, la réintroduction d'une version de Pfk2 qui ne peut pas effectuer la glycolyse a néanmoins permis de sauver ces défauts, confirmant que le rôle de l'enzyme dans la division cellulaire est indépendant de sa fonction métabolique.
Le professeur André Gerber, auteur correspondant de l'étude de l'École des biosciences de l'Université de Surrey, a déclaré :
« La phosphofructokinase a été étudiée de manière intensive pour son rôle dans le métabolisme depuis les années 1950. Ce que nous avons découvert, c'est que l'une de ses sous-unités, Pfk2, fonctionne également comme un régulateur d'ARN qui aide à coordonner la division des cellules. Il ne s'agit pas de production d'énergie – nous proposons que l'enzyme agisse comme un relais moléculaire, détectant l'état énergétique de la cellule et utilisant cette information pour décider si elle doit favoriser la croissance. »
L’équipe de recherche a utilisé une combinaison de séquençage d’ARN, d’analyses biochimiques (tests de laboratoire pour étudier le comportement moléculaire) et de protéomique (analyse à grande échelle des protéines) pour étayer leur argumentation. Ils ont identifié plus de 800 ARNm auxquels Pfk2 se lie dans les cellules vivantes, dont beaucoup codent pour des protéines impliquées dans le contrôle du cycle cellulaire mitotique (le processus par lequel une cellule se divise en deux). À l’aide de tests utilisant des signaux lumineux pour suivre la séparation des brins d’ARN en temps réel, l’équipe de recherche a montré que Pfk2 – mais pas Pfk1 – peut dérouler de courtes molécules d’ARN double brin avec une directionnalité spécifique, une fonction normalement associée aux enzymes hélicases d’ARN dédiées (protéines spécialisées dont la tâche principale est de dérouler l’ARN).
Le profilage des polysomes (une technique qui sépare le contenu cellulaire pour révéler quels ARNm sont activement transformés en protéines) a révélé que dans les cellules dépourvues de Pfk2, les ARNm pour les régulateurs critiques du cycle cellulaire – y compris la cycline G1 CLN3 (une protéine qui déclenche le début de la division cellulaire) et la protéine de point de contrôle du fuseau BUB3 (une protéine qui garantit la séparation correcte des chromosomes) – se sont considérablement éloignés des ribosomes, indiquant qu'ils n'étaient plus efficacement traduits en protéines. La protéomique a confirmé des niveaux réduits de protéines du cycle cellulaire dans les mutants par délétion Pfk2 (cellules dans lesquelles le gène codant pour Pfk est supprimé).
L'équipe propose un modèle de « commutateur à relais moléculaire ». Lorsque l’énergie cellulaire est faible, la PFK adopte son état enzymatiquement actif et se concentre sur la glycolyse. Lorsque l’énergie est abondante, Pfk2 prend une forme de faible activité qui améliore sa capacité à lier et à dérouler l’ARN, favorisant ainsi la traduction (production de protéines à partir d’instructions d’ARN) des gènes du cycle cellulaire et permettant la division cellulaire. Cela crée un lien moléculaire direct entre l’état métabolique d’une cellule et sa décision de proliférer.
Waleed Albihlal, premier auteur de l'étude et chercheur à l'Université de Surrey, a déclaré :
« Pendant des décennies, la PFK a été décrite dans tous les manuels de biochimie comme une enzyme unifonctionnelle agissant uniquement dans la glycolyse. La découverte de cette double fonction de la PFK ouvre de nouvelles voies pour faire progresser notre connaissance des fonctions cellulaires critiques. Cela pourrait, par exemple, nous permettre de mieux comprendre les maladies impliquant une mauvaise régulation du cycle cellulaire et conduire au développement de nouveaux traitements. En outre, cette découverte soulève une question importante : combien de fonctions cachées supplémentaires existe-t-il dans d'autres enzymes qui demandent à être découvertes ? »
La recherche a été financée par le Conseil de recherche en biotechnologie et en sciences biologiques (BBSRC), Cancer Research UK et le Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC). Les collaborateurs internationaux comprenaient des équipes du Cancer Research UK Scotland Institute, de l'Université d'Osnabrück, de l'Université de Bâle et de l'Université d'Ulm.
