Premier aperçu d'un rétrotransposon en action
Percée dans la résolution sub-nanométrique
Pour la première fois, des scientifiques ont visualisé un rétrotransposon, un "gène sauteur", à l'intérieur de la cellule d'un organisme complexe. La cryotomographie électronique avancée a permis cette prouesse avec une résolution inférieure au nanomètre. L'étude, publiée dans Cell, révèle comment le rétrotransposon copia achève son cycle de réplication et se rend dans le noyau à travers les pores nucléaires. L'étude est le fruit d'une collaboration entre Sven Klumpe, qui va bientôt créer un groupe de recherche en tant que Joint Fellow de l'IMP-IMBA et qui travaille actuellement au MPI de biochimie à Martinsried, et, entre autres, le groupe de Julius Brennecke à l'IMBA.
Structure de la capside du rétrotransposon copia.
© Sven Klumpe
Une course aux armements se déroule dans nos cellules : Les transposons, également connus sous le nom de gènes sauteurs ou d'éléments génétiques mobiles car ils peuvent se répliquer et se réinsérer dans le génome, menacent l'intégrité du génome de la cellule en déclenchant des réarrangements de l'ADN et en provoquant des mutations. Les cellules hôtes, quant à elles, protègent leur génome à l'aide de mécanismes de défense complexes qui empêchent les transposons de sauter. Pour la première fois, un rétrotransposon a été pris en flagrant délit à l'intérieur d'une cellule : En affinant les techniques de tomographie cryo-électronique (cryo-ET), les scientifiques ont imagé le rétrotransposon copia dans les chambres d'œufs de la drosophile Drosophila melanogaster avec une résolution inférieure au nanomètre. Parmi l'équipe internationale de scientifiques ayant réalisé cette visualisation détaillée, on trouve trois scientifiques liés au BioCenter de Vienne : Sven Klumpe, actuellement dans le laboratoire de Jürgen Plitzko à l'Institut Max Planck de biochimie de Martinsried, rejoindra l'IMBA et l'IMP pour constituer un groupe en tant que Joint Fellow ; Julius Brennecke, chef de groupe principal à l'IMBA, l'Institut de biotechnologie moléculaire de l'Académie autrichienne des sciences ; et Kirsten Senti, collaboratrice scientifique du groupe Brennecke. Le groupe de Martin Beck, de l'Institut Max Planck de biophysique de Francfort, est également impliqué dans cette collaboration. L'article est publié dans la revue Cell le 5 mars.
La tomographie cryo-électronique est une technique d'imagerie utilisée pour visualiser les paysages cellulaires en trois dimensions à une résolution moléculaire. Dans la cryo-ET, une série d'images 2D est capturée à partir de différents angles de l'échantillon, puis combinée pour former une reconstruction 3D détaillée. La cryo-ET a permis aux chercheurs d'obtenir des informations sans précédent sur l'ultrastructure des cellules. Jusqu'à présent, cependant, la cryo-ET a surtout été utilisée pour imager des organismes unicellulaires, car les échantillons de cryo-ET doivent être rapidement congelés selon un processus connu sous le nom de "vitrification" afin d'éviter la formation de cristaux de glace. Les tissus multicellulaires, qui nécessitent une congélation à haute pression pour la vitrification, sont généralement trop épais pour être préparés pour l'imagerie cryo-ET à l'aide de méthodes standard.
La capside ressemble aux capsides rétrovirales
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont eu recours à la cryo-levée, une technique qui permet aux chercheurs de préparer des tissus complexes pour la cryo-ET en combinant des faisceaux d'ions focalisés et des techniques de micromanipulation avancées à des températures cryogéniques. En travaillant avec des chambres d'œufs de Drosophila melanogaster et des cellules isolées, les chercheurs ont résolu la structure de la capside du rétrotransposon copia à une résolution de 7,7 Å - la première structure d'un rétrotransposon à une résolution inférieure au nanomètre dans son environnement cellulaire d'origine.
S'appuyant sur les récentes avancées en matière de prédiction de structure basée sur l'IA, l'équipe a généré un modèle intégratif de l'assemblage de la capside à l'aide d'AlphaFold 2, ce qui a permis aux chercheurs de concevoir par la suite des expériences guidées par la structure. Ils ont ainsi pu montrer que le rétrotransposon copia adopte un pliage de capside similaire à la capside mature du VIH-1, ce qui confirme les observations antérieures des structures des éléments transposables à partir d'échantillons purifiés.
Aperçu du cycle de vie des rétrovirus
Klumpe et ses collègues ont également fourni des instantanés du cycle de réplication de Copia dans des chambres d'œufs intactes. Comme les rétrovirus, les rétrotransposons sont transcrits à partir du génome, la transcription est exportée et traduite dans le cytoplasme, où se forment des particules de type viral. Enfin, leur génome ARN est transcrit en sens inverse. Cependant, un problème majeur dans la recherche sur les rétrotransposons réside dans la question de savoir comment un rétrotransposon retourne dans le noyau, où une nouvelle copie du rétrotransposon s'intègre dans le génome de l'hôte. En examinant les capsides de copia à l'intérieur de la cellule, les chercheurs ont découvert que les particules virales dans le cytoplasme sont à portée des pores nucléaires, qui relient le cytoplasme et le noyau. À l'instar du VIH-1, apparenté au cours de l'évolution, le copia pénètre probablement dans le noyau sous forme de particule intacte en traversant les pores nucléaires. Dans ce cas, le complexe des pores nucléaires semble agir comme un tamis moléculaire : seules les particules virales d'une certaine taille sont observées dans le noyau et y pénètrent donc. En outre, les manipulations génétiques qui ont perturbé le transport actif à travers les pores nucléaires ont permis de retenir les particules de copia dans le cytoplasme.
Bien que de nombreux rétrotransposons soient présents dans le génome de la drosophile, copia est de loin celui qui est le plus fréquemment exprimé. Des recherches antérieures ont montré que copia cible principalement la lignée germinale mâle. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont également étudié comment le système de répression des transposons de la drosophile, la voie PIWI-piRNA, réduit le copia au silence. Dans les testicules de la drosophile, les piRNA anti-sens ciblant copia se sont révélés très abondants. En examinant les mouches des fruits chez lesquelles la voie piRNA est inactive et où les transposons sont donc librement exprimés, les scientifiques ont trouvé le copia chez les mouches femelles dans une impasse apparente, à savoir les abondants noyaux de la lignée germinale qui ne deviendront pas le matériel génétique de l'ovocyte et qui sont donc destinés à subir une mort cellulaire programmée. Chez les mouches mâles, en revanche, les rétrotransposons copia passent du cytoplasme au noyau des gamètes au cours de la spermatogenèse, ce qui indique que l'entrée dans le noyau pourrait être une partie essentielle de son cycle de réplication adapté à la niche de l'élément - les testicules mâles.
"Les transposons ont longtemps été considérés comme de l'ADN indésirable, mais ils ont un impact considérable sur la biologie et l'évolution de leur hôte. Notre étude démontre la puissance de la cryo-ET pour étudier la biologie structurelle cellulaire des transposons et obtenir des informations détaillées sur les mécanismes biologiques cellulaires qui sous-tendent leurs cycles de réplication", déclare Klumpe. Julius Brennecke, chef de groupe principal à l'IMBA, se réjouit des nouvelles possibilités offertes par l'arrivée de Klumpe à l'IMBA et à l'IMP. "La tomographie cryo-électronique est largement applicable à de nombreuses questions, et Sven trouvera de nombreuses possibilités de collaboration au sein du BioCenter de Vienne.
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Publication originale
Sven Klumpe, Kirsten A. Senti, Florian Beck, Jenny Sachweh, Bernhard Hampoelz, Paolo Ronchi, Viola Oorschot, Marlene Brandstetter, Assa Yeroslaviz, John A.G. Briggs, Julius Brennecke, Martin Beck, Jürgen M. Plitzko; "In-cell structure and snapshots of copia retrotransposons in intact tissue by cryoelectron tomography"; Cell
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