Une nouvelle imagerie révèle les secrets du contrôle du trafic cellulaire

Musser et son équipe ont étudié comment les molécules se déplacent à travers les pores de la double membrane qui enveloppe le noyau, rapidement et efficacement, sans entrer en collision ni être congestionnées. L'équipe a récemment publié une étude dans la revue Nature qui a révélé de nouvelles informations sur le transport moléculaire.

L'étude a nécessité une technique d'imagerie avancée appelée MINFLUX, que le Centre d'imagerie de l'EMBL (IC) a fourni.

Grâce à MINFLUX, les chercheurs ont pu suivre les mouvements moléculaires en quelques millisecondes et en 3D à une échelle sans précédent : environ 100 000 fois plus petite que la largeur d'un cheveu humain. Leurs résultats montrent que l'importation (le processus d'entrée des molécules dans le noyau) et l'exportation (le processus de sortie des molécules) se produisent dans des autoroutes qui se chevauchent à l'intérieur du complexe du pore nucléaire. Cela remet en question une hypothèse antérieure selon laquelle ces processus se dérouleraient sur des voies distinctes.

Un système de circulation surprenant

"Au départ, nous avons envisagé deux possibilités", explique M. Musser. "D'une part, l'importation et l'exportation empruntaient des voies distinctes, ce qui éliminait le risque d'embouteillage ; d'autre part, le transport s'effectuait par le même canal, mais les collisions étaient évitées grâce aux manœuvres des molécules les unes autour des autres.

Leurs récentes découvertes ont mis en évidence le deuxième scénario. Les molécules se déplacent dans des conduits étroits dans les deux sens, en se contournant les unes les autres plutôt qu'en suivant une autoroute à chaussées séparées. En outre, elles n'utilisent qu'une petite section transversale du diamètre du pore, migrant près des parois du canal et absentes du centre. Plus surprenant encore, le mouvement à l'intérieur du NPC est environ 1 000 fois plus lent que dans une solution ouverte - comme si l'on se déplaçait dans du sirop d'érable - en raison d'un réseau de protéines désordonnées qui obstruent le pore.

"C'est le pire des scénarios : une circulation à double sens dans des conduits plus étroits", a déclaré M. Musser. "Ce que nous avons découvert, c'est une combinaison inattendue de ces possibilités, de sorte que nous ne connaissons pas la réponse complète, et que c'est plus compliqué que ce que nous pensions au départ.

Éviter les embouteillages

Malgré la lenteur des déplacements, le transport par NPC ne semble pas être affecté par l'encombrement, évitant apparemment avec succès les embouteillages.

"Il se peut que les NPC soient conçus pour être exprimés en nombres tels qu'ils n'ont pas besoin de fonctionner à pleine capacité", a déclaré M. Musser. "En soi, cela pourrait limiter les effets délétères de la concurrence et de l'engorgement.

Plutôt que de passer directement par le milieu du NPC, les molécules semblent emprunter l'un des huit canaux de transport distincts, chacun étant confiné à un seul rayon à l'intérieur de l'anneau périphérique, ce qui suggère un mécanisme structurel qui aide à réguler le trafic.

On observe depuis longtemps que les pores nucléaires de la levure possèdent un "bouchon central", mais la nature de ce matériau reste inconnue", explique M. Musser. Chez l'homme, un tel "bouchon central" n'a pas été facilement observé, mais la compartimentation fonctionnelle est une possibilité très réelle et le centre du pore pourrait être la principale voie d'exportation de l'ARNm.

Observer les embouteillages à l'échelle nanométrique

Pour visualiser le mouvement des molécules à travers les CPN, les chercheurs avaient besoin d'une méthode leur permettant de suivre des molécules individuelles à haute résolution dans le temps. Selon Sebastian Schnorrenberg, spécialiste des applications à l'EMBL IC, MINFLUX est actuellement la méthode de microscopie optique qui offre la plus haute résolution spatiale et temporelle, jusqu'à dix fois plus précise pour le suivi que les méthodes précédentes. Elle permet également aux chercheurs de suivre les molécules beaucoup plus longtemps que les autres techniques de microscopie.

"Cela signifie que nous avons pu obtenir beaucoup plus de points de données et atteindre une plus grande précision dans le suivi des molécules de cargaison que ce qui était possible avec les technologies précédentes", a déclaré Schnorrenberg. Alors que le groupe de Musser avait déjà publié des études utilisant des méthodes conventionnelles de suivi d'une seule particule, MINFLUX leur a permis d'analyser le processus d'importation et d'exportation avec beaucoup plus de précision et de fournir de nouvelles informations biologiques.

"D'un point de vue personnel, il s'agit de l'un des projets d'utilisateur les plus stimulants sur le plan technologique sur lequel j'ai travaillé", a déclaré M. Schnorrenberg. "Au cours du projet, nous avons dû résoudre divers problèmes et développer de nouvelles façons de combiner différentes approches, dont certaines n'avaient jamais été tentées auparavant.

Pour le traitement et l'analyse des données MINFLUX, les chercheurs ont bénéficié du soutien de Ziqiang Huang, spécialiste en analyse d'images à l'EMBL IC. "MINFLUX permet de suivre le transport des pores nucléaires avec une résolution spatiale de l'ordre du nanomètre et une résolution temporelle de l'ordre de la milliseconde", explique Ziqiang Huang.

"Ce projet est également un excellent exemple du développement à long terme de nos services à l'EMBL IC", a déclaré M. Schnorrenberg. "MINFLUX permet non seulement de suivre des molécules individuelles dans les cellules, mais pourrait également être utilisé pour visualiser les changements structurels des protéines, ce qui nous permettrait d'observer les protéines en action. Personnellement, je trouve cela extrêmement intéressant.

Implications pour les maladies et la recherche future

Le NPC joue un rôle crucial dans la fonction cellulaire et son dysfonctionnement a été associé à de nombreuses maladies, notamment des maladies cérébrales évolutives telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA), la maladie d'Alzheimer et la maladie de Huntington. En outre, on sait que l'augmentation des taux de trafic du NPC joue un rôle important dans la croissance cancéreuse. Si le fait de cibler des régions spécifiques de la NPC peut constituer une stratégie thérapeutique potentielle pour déboucher les pores "bloqués" ou réduire les taux de trafic, Musser met en garde contre le fait que le transport de la NPC est une fonction cellulaire fondamentale et que l'interférence avec divers aspects de la fonction pourrait entraîner des effets secondaires significatifs.

"Il est important de distinguer les effets qui se produisent au niveau du pore (transport) des effets qui se produisent en dehors du pore (assemblage et désassemblage du complexe de transport)", a déclaré M. Musser. "Je pense que la plupart des liens entre le transport nucléaire et les maladies appartiennent à cette dernière catégorie, mais cela n'implique pas que ce soit le cas pour tous, et certains ne le sont certainement pas. Par exemple, les mutations du gène c9orf72, qui est associé à la SLA et à la démence frontotemporale, peuvent conduire à des agrégats qui bloquent les CPN.

À l'avenir, Musser et son principal collaborateur, Abhishek Sau, PhD, chercheur adjoint et responsable des installations du Texas A&M Joint Microscopy Lab, continueront à travailler avec leur équipe en Allemagne (EMBL IC et Abberior Instruments) pour déterminer si différentes molécules de cargaison - telles que les grandes sous-unités ribosomiques et l'ARNm - utilisent des voies de transport distinctes ou partagent une route commune. La possibilité d'adapter MINFLUX à l'imagerie en temps réel dans des cellules vivantes est également à l'ordre du jour, ce qui permettrait d'obtenir une image encore plus claire de la dynamique du transport nucléaire.

Cette étude, financée par les National Institutes of Health, offre une nouvelle perspective sur la manière dont les cellules gèrent efficacement le trafic moléculaire, ce qui permet de mieux comprendre les fonctions cellulaires et les maladies. Le noyau est peut-être une métropole microscopique, mais grâce au NPC, son système de contrôle du trafic reste remarquablement efficace.