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Nouvelle technique pour image les lipides simples: les lipides sont notoirement difficiles à détecter avec la microscopie optique. En utilisant une nouvelle stratégie d'étiquetage chimique, l'équipe de Dresde a surmonté cette limitation, permettant de nouvelles perspectives sur l'endroit où se trouvent les lipides spécifiques et comment ils sont transportés dans les cellules.
Carte du flux lipidique: Les chercheurs ont utilisé la nouvelle méthode d'imagerie lipidique pour répondre à la question de longue date comment les cellules transportent des lipides spécifiques vers leurs membranes d'organelle cibles. L'étude a révélé que le transport lipidique non vésiculaire par les protéines est le principal mécanisme qui maintient la composition membranaire d'organites spécifiques.
Comprendre le rôle des lipides dans les maladies: les déséquilibres lipidiques jouent un rôle dans plusieurs maladies métaboliques ou neurodégénératives. La nouvelle technique d'imagerie lipidique aidera à comprendre le rôle du transport lipidique dans la santé et les maladies. L'identification des protéines impliquées dans le transport sélectif des lipides peut accélérer davantage de découvertes de nouvelles cibles médicamenteuses pour les maladies associées aux lipides.
Les molécules lipidiques, ou graisses, sont cruciales pour toutes les formes de vie. Les cellules ont besoin de lipides pour construire des membranes, séparer et organiser des réactions biochimiques, stocker l'énergie et transmettre des informations. Chaque cellule peut créer des milliers de lipides différents, et lorsqu'ils sont déséquilibrés, des maladies métaboliques et neurodégénératives peuvent survenir. Il n'est toujours pas bien compris comment les cellules trient différents types de lipides entre les organites cellulaires pour maintenir la composition de chaque membrane. Une raison majeure est que les lipides sont difficiles à étudier, car les techniques de microscopie pour tracer précisément leur emplacement à l'intérieur des cellules ont jusqu'à présent manqué.
Dans une collaboration de longue date d'André Nadler, biologiste des produits chimiques au Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) à Dresde, en Allemagne, s'est associé à l'ALF Honigmann, un spécialiste de la bioimagerie au Biotechnology Center (Biotec) à des cellules TUD Dresded Technoucy. Après la première preuve de concept réussie, le duo a amené l'expert de la spectrométrie de masse Andrej Shevchenko (MPI-CBG), Björn Drobot au Helmholtz-Zentrum Dresde-Rossendorf (HZDR), et le groupe de Martin Hof du J. Heyrovsky Institute de chimie physique dans le prague sur la planche pour étudier comment les lipides sont des trapites entre les organes cellulaires.
Lipides artificiels sous le lit de soleil
« Nous avons commencé notre projet en synthétisant un ensemble de lipides mini-modifiés qui représentent les principaux lipides présents dans les membranes d'organelle. Ces lipides modifiés sont essentiellement les mêmes que leurs homologues indigènes, avec seulement quelques atomes différents qui nous ont permis de les suivre sous le microscope », explique Kristin Böhlig, un étudiant PhD dans le groupe Nadler et Chemist qui était en charge de la création de lipides modifiés.
Les lipides modifiés imitent les lipides naturels et sont «bifonctionnels», ce qui signifie qu'ils peuvent être activés par la lumière UV, ce qui fait que le lipide se lie ou réticulale avec les protéines voisines. Les lipides modifiés ont été chargés dans la membrane des cellules vivantes et, au fil du temps, transportées dans les membranes des organites. Les chercheurs ont travaillé avec des cellules humaines dans la culture cellulaire, comme les cellules osseuses ou intestinales, car elles sont idéales pour l'imagerie.
Après le traitement avec une lumière UV, nous avons pu surveiller les lipides avec une microscopie à fluorescence et capturer leur emplacement au fil du temps. Cela nous a donné une image complète de l'échange de lipides entre la membrane cellulaire et les membranes d'organelle. «
Kristin Böhlig, doctorant
Afin de comprendre les données de microscopie, l'équipe avait besoin d'un pipeline d'analyse d'image personnalisé. « Pour répondre à nos besoins spécifiques, j'ai développé un pipeline d'analyse d'image avec une segmentation d'image automatisée aidée par l'intelligence artificielle pour quantifier le flux lipidique à travers le système d'organelle cellulaire », explique Juan Iglesias-Artola, qui a fait l'analyse d'image.
Transport lipidique rapide par les protéines
En combinant l'analyse d'image avec la modélisation mathématique, réalisée par Björn Drobot au HZDR, l'équipe de recherche a découvert qu'entre 85% et 95% du transport lipidique entre les membranes des organites cellulaires est organisée par des protéines porteuses qui déplacent les lipides, plutôt que par des vésicules. Ce transport non vésiculaire est beaucoup plus spécifique en ce qui concerne les espèces lipidiques individuelles et leur tri aux différents organites de la cellule. Les chercheurs ont également constaté que le transport lipidique par les protéines est dix fois plus rapide que par les vésicules. Ces résultats impliquent que les compositions lipidiques des membranes organites sont principalement maintenues par le transport lipidique rapide, spécifique à l'espèce et non vésiculaire.
Dans un ensemble parallèle d'expériences, le groupe d'Andrej Shevchenko au MPI-CBG a utilisé la spectrométrie de masse à ultra-haute résolution pour voir comment les différents lipides changent leur structure pendant le transport de la membrane cellulaire à la membrane d'organelle.
Un coup de pouce pour les lipides dans la biologie et la maladie cellulaires
Cette nouvelle approche fournit la toute première carte quantitative de la façon dont les lipides se déplacent à travers la cellule vers différents organites. Les résultats suggèrent que le transport lipidique non vésiculaire a un rôle clé dans le maintien de chaque composition de la membrane d'organelle.
Alf Honigmann, chef de groupe de recherche au Biotec, a déclaré: « Notre technique d'imagerie lipidique permet l'analyse mécaniste du transport des lipides et fonctionne directement dans les cellules, ce qui a été impossible auparavant. Nous pensons que notre travail ouvre la porte à une nouvelle ère d'étude du rôle des lipides dans la cellule. »
L'imagerie des lipides permettra de nouvelles découvertes et aidera à révéler les mécanismes sous-jacents des maladies causées par des déséquilibres lipidiques. La nouvelle technique pourrait potentiellement aider à développer de nouvelles cibles médicamenteuses et des approches thérapeutiques pour les maladies associées aux lipides, telles que la maladie hépatique non alcoolique.
« Nous savions que nous étions sur quelque chose de grand »
André Nadler, chef de groupe de recherche chez MPI-CBG, revient au début de l'étude, « Imaging Lipids in Cell a toujours été l'un des aspects les plus difficiles de la microscopie. Notre projet n'était pas différent. Le début du projet à l'automne 2019, lorsque nous avons finalement produit un échantillon avec une belle teinture de membrane plasmique. Nos conclusions auraient été beaucoup plus limitées. «
Les chercheurs doivent encore déterminer quelles protéines de transfert lipidique entraînent le transport sélectif de différentes espèces lipidiques. Ils doivent également identifier les sources d'énergie qui alimentent le transport des lipides et s'assurent que chaque organelle conserve sa propre composition membranaire unique.
