À l’intérieur de la cellule se trouvent de nombreuses petites usines et entrepôts d’assemblage qui rassemblent toutes les protéines et tous les ARN (qui exécutent les instructions de notre ADN) dont un être vivant a besoin.
Ces assemblages, appelés condensats biomoléculaires, aident à réguler la façon dont les cellules se divisent et répondent au stress en séquestrant et en traitant l'ARN et les protéines. Cependant, ils ne possèdent pas de membrane qui les sépare du reste du noyau. Au lieu de cela, leurs machines se condensent, de la même manière que la vapeur d’eau se condense brièvement pour former des nuages dans le ciel, explique Nils Walter, professeur de chimie à l’Université du Michigan.
Mais les scientifiques ne savent pas exactement comment fonctionnent les processus qui contrôlent le sort de ces gouttelettes biomoléculaires. L'imagerie de ces processus s'est révélée difficile : tout ce qui se trouve dans une cellule bouge et est difficile à localiser, et les condensats biomoléculaires ont tendance à rouler lorsqu'ils sont placés sur une lame de microscope pour examen.
Maintenant, les chercheurs de l'UM dirigés par Walter ont développé une méthode pour examiner l'intérieur des gouttelettes, en se concentrant sur une protéine appelée fusionnée dans le sarcome, ou FUS, qui se condense souvent chez les patients atteints de la maladie neurodégénérative, la sclérose latérale amyotrophique, ou SLA. Ils ont découvert que les mouvements des molécules d’ARN et de protéines au sein de ces condensats biomoléculaires sont ralentis dans des zones distinctes et infinitésimales que les chercheurs appellent nanodomaines. Au fil du temps, à mesure que les condensats vieillissent, les nanodomaines se déplacent vers la surface des gouttelettes.
Les chercheurs ont également appliqué aux condensats biomoléculaires des médicaments utilisés pour traiter la SLA et des maladies similaires, et ont constaté que les médicaments pouvaient agir, en partie, en accélérant le mouvement des nanodomaines vers la surface des gouttelettes, accélérant ainsi la formation de fibrilles à cet endroit. On pense que ces fibrilles protègent les neurones de la dégradation, car elles absorbent des agrégats toxiques plus petits au cours de la progression de la SLA.
Les résultats, soutenus par les National Institutes of Health, la National Science Foundation des États-Unis et la Chan Zuckerberg Initiative, sont rapportés dans Nature Nanotechnologie.
« Il y a beaucoup d'espoir qu'en manipulant ces condensats, nous puissions les utiliser à des fins médicales, comme ralentir les maladies neurodégénératives, en faire un dépôt pour des médicaments qui peuvent être libérés lentement au fil du temps, ou séquestrer des protéines indésirables telles que celles liées au cancer ou aux virus en les incitant à former des condensats », a déclaré Walter, directeur du Centre de biomédecine ARN à l'UM. « Comprendre comment ils se forment et ce qui se développe à l'intérieur d'eux à mesure qu'ils vieillissent est essentiel pour trouver des moyens d'influencer le processus de manière bénéfique. »
Le FUS est un régulateur central du métabolisme de l’ARN cellulaire et se condense lorsque les cellules subissent une conduction de stress appelée séparation de phase hyposmotique. Dans ces conditions, la cellule subit une concentration de sel supérieure à la normale, ce qui amène la cellule à s'adapter en éliminant de l'eau et en rétrécissant jusqu'à 50 %. Après un certain temps, lorsque le stress n’est pas relâché, les cellules démarrent des programmes d’expression génique pour se gonfler à nouveau. La condensation FUS peut jouer un rôle en facilitant les programmes corrects.
Certaines mutations génétiques du FUS conduisent à des cancers et à des maladies neurodégénératives comme la SLA. Lors de la mutation, le FUS s'accumule puis se condense dans le cytoplasme de la cellule. L'agglutination du FUS au fil du temps est liée à la SLA et à la démence frontotemporale. Mais il est difficile de capturer la progression de ce changement pathologique, disent les chercheurs, tout comme la capture d’images de la façon dont le FUS se condense et vieillit.
Pour étudier comment le FUS se condense, les chercheurs ont purifié une forme complète de la protéine. Ils ont d'abord ajouté à la protéine un type de sucre qui l'empêche de se condenser et qu'ils pouvaient éliminer à volonté, déclenchant ainsi la condensation de la protéine. Les chercheurs ont marqué une sonde ARN et la protéine avec deux couleurs différentes de colorants fluorescents. Cela leur a permis d’utiliser la microscopie à fluorescence pour suivre la diffusion de molécules uniques d’ARN et de protéines dans les gouttelettes condensées.
Mais ils avaient encore un obstacle à surmonter : les gouttelettes de condensat biomoléculaire sont difficiles à maintenir en place pour qu'un microscope puisse les examiner, explique Walter.
Si vous faites un condensat et le placez sur une lame de microscope, il peut rouler sur la surface ou se tortiller d'avant en arrière. Si cela se produit, le suivi des particules sera perturbé. Il faut donc immobiliser les condensats en surface, mais il faut le faire de manière très judicieuse. Par exemple, si vous avez trop d’ancres à la surface du condensat, celui-ci s’aplatit. Cela devient une crêpe. »
Nils Walter, professeur de chimie, Université du Michigan
L’équipe de recherche a trouvé un juste milieu consistant en juste assez d’ancres pour maintenir la gouttelette immobile, et en utilisant un type de microscopie appelé microscopie HILO, les chercheurs ont pu suivre les mouvements de molécules individuelles dans la gouttelette. Cela leur a permis de voir où les particules se rassemblaient dans la gouttelette.
La technique a également permis aux chercheurs d’observer la formation de fibrilles autour de ces condensats de FUS. Les chercheurs ont ensuite appliqué des médicaments à petites molécules utilisés pour traiter la SLA aux biocondensats pour voir comment ils affectaient les protéines FUS. Ils ont découvert que les médicaments provoquaient le déplacement plus rapide des amas de nanodomaines de FUS vers la surface du condensat, à partir de laquelle les fibres se développaient.
« Mais ce que nos résultats signifient globalement, c'est que, pour la première fois, nous considérons ces nanodomaines comme des germes potentiels de ces fibres », a déclaré Walter. « Peut-être que les médicaments que nous avons utilisés, l'édaravone et surtout le riluzole, ont un autre effet au-delà de ceux connus, en aidant les condensats à se fibraliser plus rapidement et à protéger le neurone. »
Walter affirme que la compréhension des mécanismes au sein des condensats biomoléculaires est actuellement un sujet important pour les chercheurs.
« Le domaine de la condensation de phase a explosé. Il existe de nombreux condensats de phase dans les cellules qui accélèrent les réactions ou séquestrent les éléments afin qu'ils ne puissent pas faire de ravages », a-t-il déclaré. « On apprend beaucoup de biologie dans un domaine de la biologie en évolution rapide. »
