Premières données précises sur les agrégats moléculaires dynamiques dans les cellules
Grâce à une nouvelle méthode de microscopie, les chercheurs ont pu quantifier pour la première fois de petits agrégats moléculaires dynamiques dans des cellules vivantes, qui jouent un rôle important dans le traitement des signaux.
Dans les cellules, de nombreux processus vitaux se déroulent dans des agrégats de molécules sans membrane. De tels agrégats veillent à ce que les molécules impliquées soient présentes dans la bonne concentration et à proximité les unes des autres. Des chercheurs du cluster d'excellence CIBSS de l'Université de Fribourg et de l'Université de Cambridge/Grande-Bretagne ont pu observer et analyser pour la première fois la formation de ces "condensats" dans des cellules vivantes. Dans Nature Communications, ils décrivent que non seulement des principes physiques, mais aussi des mécanismes de contrôle actifs régulent leur croissance. Les protocoles expérimentaux et les programmes d'analyse sont dès à présent disponibles gratuitement et rendent la recherche sur les petits agrégats possible pour les laboratoires moins spécialisés.
Si les molécules à l'intérieur d'une cellule étaient réparties au hasard, elle ne serait pas viable. Ce n'est qu'en la divisant en compartiments spécialisés que de nombreux processus biochimiques peuvent se dérouler de manière coordonnée. Ces compartiments sont en partie séparés les uns des autres par des membranes, mais une délimitation fonctionne également sans enveloppe extérieure. Ce sont justement ces agrégats de molécules sans membrane, également appelés condensats, qui remplissent des fonctions biologiques importantes, car leur taille et leur nombre sont particulièrement flexibles. On suppose qu'ils se forment par le processus physique dit de séparation des phases liquide-liquide.
"Ces condensats sont un mécanisme de contrôle important dans les cellules, car ils peuvent accélérer ou ralentir les processus biochimiques selon les besoins", explique le professeur Thorsten Hugel. Il est membre du cluster d'excellence CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies de l'Université de Fribourg et a dirigé l'étude actuelle en collaboration avec le professeur Aleks Reinhardt de l'Université de Cambridge.
Les condensats plus petits sont plus difficiles à étudier
La manière dont les condensats aident la cellule à traiter les signaux biologiques et les stimuli environnementaux est encore trop peu étudiée, explique Hugel. "Dans la recherche, on se concentre généralement sur les grands condensats statiques, car ils sont plus faciles à étudier. Mais ces grands condensats ne sont généralement que le stade final d'un long processus. Les petits condensats, qui croissent et se décomposent de manière dynamique, sont bien plus intéressants", explique-t-il. Le problème : ils sont composés de relativement peu de molécules et sont même trop petits et trop rapides pour les méthodes de microscopie à haute résolution pour être examinés dans des cellules vivantes.
Une nouvelle méthode contourne les limitations techniques
Dans l'étude actuelle, les chercheurs de Fribourg et de Cambridge ont décrit une méthode permettant de contourner ces limites techniques. Pour ce faire, ils ont utilisé la microscopie de fluorescence conventionnelle à haute résolution avec un laser oblique, appelée microscopie HILO, et l'ont combinée à une procédure expérimentale spéciale et à des méthodes d'analyse basées sur l'IA.
La croissance ne s'explique pas uniquement par des processus physiques
Les chercheurs ont comparé les mesures ainsi effectuées dans des cellules vivantes avec des hypothèses théoriques sur la formation de condensats. "Nous avons été surpris par les résultats", explique Reinhardt, chercheur à la faculté de chimie de l'université de Cambridge. "Dans le cas des condensats que nous avons examinés dans le cadre de cette étude, la croissance initiale suit encore des modèles physiques. C'est ce à quoi nous nous attendrions pour de tels processus. Mais à partir d'une certaine taille, cette croissance s'arrête soudainement".
La croissance des agrégats NELF est régulée par des signaux de stress
Dans l'étude actuelle, les chercheurs ont examiné des agrégats de la protéine NELF. Ces agrégats de protéines se forment lorsqu'une cellule est stressée, par exemple par la chaleur, ou lorsque des agrégats d'autres protéines se forment, comme dans la démence et d'autres maladies neurogénératives. "En formant des condensats dans le noyau cellulaire, NELF inhibe l'expression des gènes", explique le co-auteur, le Dr Ritwick Sawakar, pour résumer la fonction naturelle de la protéine. "Cette inhibition est importante pour que la cellule survive au stress". Sawakar a également travaillé au CIBSS et mène actuellement des recherches à la MRC Toxicology Unit de l'Université de Cambridge.
Les scientifiques* ont maintenant pu observer que de nombreux petits condensats de NELF sont présents dans les cellules, même en l'absence de stress. "En dehors d'une cellule, nous nous attendrions à ce que les condensats continuent de croître une fois qu'ils ont atteint une taille critique. Mais dans les cellules vivantes, ils ne semblent le faire que lorsque la cellule est stressée", explique Reinhardt pour décrire le résultat. Les chercheurs en concluent que les condensats NELF sont activement maintenus petits jusqu'à ce que des signaux de stress libèrent à nouveau la croissance.
Les agrégats de protéines sont probablement un mécanisme important du traitement des signaux
Selon les scientifiques*, ce processus à première vue compliqué est probablement essentiel pour le traitement des signaux de stress : "Les plus gros condensats peuvent ainsi se former particulièrement rapidement en cas de besoin et les petits se dissoudre très rapidement", explique Hugel. "La cellule peut ainsi réagir à temps au stress".
On attribue aux agrégats de protéines de nombreuses fonctions différentes et fondamentales pour le traitement des signaux dans les cellules. Grâce à la nouvelle méthode de microscopie, il est désormais possible de comprendre ces fonctions de manière globale. Cela permet également d'étudier le rôle des agrégats de protéines dans des maladies telles que la démence, la maladie d'Alzheimer ou la maladie de Huntington. À long terme, une meilleure compréhension de ceux-ci pourrait également aider au diagnostic ou au développement de thérapies pour de telles maladies.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Chenyang Lan, Juhyeong Kim, Svenja Ulferts, Fernando Aprile-Garcia, Sophie Weyrauch, Abhinaya Anandamurugan, Robert Grosse, Ritwick Sawarkar, Aleks Reinhardt, Thorsten Hugel; "Quantitative real-time in-cell imaging reveals heterogeneous clusters of proteins prior to condensation."; Nature Communications (2023).
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