Les protéines contrôlent la plupart des fonctions de l’organisme et leur dysfonctionnement peut avoir de graves conséquences, comme des maladies neurodégénératives ou des cancers. Par conséquent, les cellules disposent de mécanismes pour contrôler la qualité des protéines. Dans les cellules animales et humaines, les chaperons de la classe Hsp70 sont au cœur de ce système de contrôle, supervisant un large éventail de processus biologiques. Pourtant, malgré leur rôle crucial, le mécanisme moléculaire précis des chaperons Hsp70 est resté insaisissable pendant des décennies. Grâce à une technique de pointe de nanopores monomoléculaires, une équipe de l'Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec l'EPFL, a réalisé une avancée significative en déterminant comment les chaperons Hsp70 génèrent la force nécessaire pour manipuler la structure de leurs protéines clientes. . Ces résultats, qui mettent fin à une décennie de débats, sont publiés dans Communications naturelles.
Les protéines doivent se replier selon des formes tridimensionnelles spécifiques pour fonctionner correctement. Parmi leurs nombreux rôles, les protéines chaperons comme les Hsp70 aident généralement au repliement correct des protéines. Pour mener à bien ces tâches, les Hsp70 doivent manipuler avec force la structure des protéines, en les extrayant des agrégats formés spontanément ou en facilitant la translocation des protéines dans des compartiments cellulaires clés, tels que les mitochondries.
Dans ce contexte, au cours des années 1990 et au début des années 2000, un débat intense a eu lieu sur le mécanisme permettant aux chaperons Hsp70 de piloter la translocation des protéines, avec deux modèles principaux proposés sur la base de différents ensembles d'expériences, mais sans réponse définitive. En 2006, une nouvelle théorie, appelée Entropic Pulling, a été proposée par le professeur Paolo De Los Rios de l'EPFL et le professeur Pierre Goloubinoff de l'Université de Lausanne (UNIL) et leurs collaborateurs. Entropic Pulling pourrait expliquer toutes les observations existantes de translocation de protéines dans les mitochondries et pourrait également être appliqué aux autres fonctions cellulaires des Hsp70, telles que la désagrégation des protéines.
Preuve expérimentale
Au fil des années, cette théorie a permis l’interprétation d’un nombre croissant de résultats mais est restée sans confirmation expérimentale directe. Le groupe de Chan Cao, nouveau professeur assistant au Département de chimie inorganique et analytique de la Faculté des sciences de l'UNIGE, se spécialise dans la bioanalyse de molécules uniques, notamment la détection de nanopores. Cette approche innovante consiste à lire la réponse du courant ionique comme une molécule unique traversant un pore à l'échelle nanométrique, qui peut être soit un assemblage de protéines biologiques intégré dans une membrane lipidique, soit un matériau solide fabriqué. Le développement de la technologie des nanopores vise à créer des capteurs à haute résolution pour détecter des molécules cibles au sein de matrices complexes et pour séquencer des biopolymères.
Dans ces travaux récents, l’équipe a exploité la technologie des nanopores pour imiter la configuration in vivo de la translocation des protéines au niveau d’une seule molécule. Le professeur Chan Cao a expliqué : « nos résultats fournissent des preuves claires du mécanisme de traction entropique des chaperons Hsp70, excluant les deux autres modèles proposés précédemment, à savoir Power Stroke et Brownian Ratchet ».
Une force puissante au niveau moléculaire
Dans le mécanisme de traction entropique, le chaperon, en tirant sur la protéine cible, augmente son amplitude de mouvement, générant ce que l'on appelle une force entropique. Verena Rukes, doctorante et auteur principal de l'étude, explique « notre analyse a estimé la force de la traction entropique à environ 46 pN sur des distances de 1 nm, ce qui indique une force remarquablement forte au niveau moléculaire ».
Le professeur Paolo De Los Rios de l'Institut de physique et de l'Institut de bioingénierie de l'EPFL explique : « notre théorie proposée en 2006 rendait compte de l'essentiel de la physique du système comprenant Hsp70, la protéine de translocation et le pore de translocation, mais au final , elle est restée une théorie, même si elle est indirectement en accord avec la plupart des observations. Grâce au magnifique travail du professeur Chan Cao et de son équipe, nous en avons désormais une preuve directe et, ce qui est le plus important, une estimation quantitative de sa force. , qui s'avère remarquablement élevé, expliquant en outre pourquoi les Hsp70 sont si efficaces pour modifier la structure de leurs protéines cibles ».
Il est important de noter que cette recherche établit les approches nanopores comme une technique puissante à molécule unique pour explorer les mécanismes moléculaires de l’action des protéines.
