Un pan entier de la biologie est en train de naître : de nouveaux compartiments cellulaires ayant des propriétés liquides ont été découverts. Ils sont directement impliqués dans certaines maladies neurodégénératives et des cancers. Le laboratoire SABNP (Structures et Activité des Biomolécules Normales et Pathologiques – laboratoire UEVE/Inserm labellisé Genopole), dirigé par David Pastré, est l’un des rares groupes en France à proposer à la communauté scientifique un outil méthodologique pour étudier le phénomène dans les cellules mammifères. La méthode est publiée dans Journal of Cell Science de mai 2018.

Le monde vivant s’organise autour d’unités fonctionnelles délimitées par des membranes, les cellules. A l’intérieur de chaque cellule, des compartiments, également séparés par des membranes, structurent l’activité cellulaire. Nous connaissons ainsi le noyau cellulaire, le reticulum endoplasmique ou encore l’appareil de Golgi... Jusqu’à très récemment, le reste de la cellule, ou "cytosol", ne semblait pas répondre à un agencement spatial précis et apparaissait comme un liquide dans lequel baignaient ces organites. Or depuis 2009, et plus particulièrement 2015, des chercheurs démontrent l’existence chez tous les organismes - bactéries, champignons, plantes, animaux - de compartiments insoupçonnés dans le cytosol, sans membranes, dont la formation dynamique et réversible participe à l’organisation générale de la cellule.

Constitués de particules « solides », essentiellement des protéines et de l’ARN, ces compartiments obéissent pourtant aux lois des liquides. Ils se font et se défont dans la cellule, se rencontrent et fusionnent tels les masses mouvantes des lampes à lave. En physico-chimie, ces structures obéissent à ce qu’on appelle « la séparation de phase liquide-liquide » : un phénomène par lequel ces compartiments regroupent ou échangent entre eux des molécules, favorisant ou interdisant les réactions biochimiques qui participent au fonctionnement des cellules. Ils remplissent ainsi des fonctions complexes liées notamment à l’expression génique (épissage, transcription, traduction). On trouve parmi ces compartiments les nucléoles, les corps de Cajal, les speckles, les granules de stress et les P-Bodies, eux-mêmes probablement constitués de sous-compartiments encore peu étudiés.

Un article publié par un journaliste scientifique en mars 2018 dans Nature retrace l’historique de la découverte de ces nouveaux compartiments et les présentent comme un nouveau paradigme transformant notre compréhension de la biologie cellulaire. Il souligne aussi le besoin d’outils méthodologiques qui permettraient de décrypter les mécanismes moléculaires en jeu.

Méthode du laboratoire SABNP

Le laboratoire évryen SABNP a mis au point une méthode qui permet de les étudier dans le contexte naturel de la cellule (en cellules vivantes ou fixées).
Les chercheurs avaient observé par hasard que lorsqu’ils fixent via un « linker » des protéines à la surface des filaments du cytosquelette (« microtubules »), celles-ci se groupent pour former des compartiments qui ressemblent fortement aux compartiments liquides, donnant l’opportunité d’étudier de façon très simple et quantitative leur genèse et leurs propriétés.

Ainsi, ce réseau de microtubules peut constituer pour les scientifiques une plate-forme d’observation des compartiments liquides, tout en s’affranchissant de la localisation naturelle des protéines (certaines sont nucléaires et difficilement observables) ou de leur abondance dans la cellule. Grâce à cet outil, il devient possible d’analyser à l’échelle nanométrique, le long des microtubules, la capacité de diverses protéines ou autres molécules (ARN...) à former ces compartiments ou encore d’analyser la miscibilité de différents compartiments.

La nano plate-forme ouvre de nombreuses perspectives de recherche pour comprendre la complexité des mécanismes de compartimentation et leurs dérégulations dans les maladies humaines. Notamment certains cancers ou des pathologies liées à l’âge seraient dus à leur dysfonctionnement. Ainsi la sclérose latérale amyotrophique (SLA) ou maladie de Charcot résulterait d’une transformation irréversible de ces structures liquides en agrégats solides : des inclusions cytoplasmiques sont observées dans les cellules des patients atteints. La méthode développée par le laboratoire SABNP pourra apporter des réponses, en analysant par exemple l’effet de protéines mutées ou tronquées dans le contrôle de la compartimentation cellulaire.

Atouts de la méthode

La nano plate-forme permet :
- 1- de transposer un phénomène qui se déroule en 3 dimensions (dans des sortes de gouttelettes où il est difficile de discerner précisément les interactions) à une observation dans une seule dimension : sur les lignes qui correspondent aux filaments des microtubules.
- 2- de faire une observation à l’échelle nanométrique (le microtubule a un diamètre d’une dizaine de nm)
- 3- d’étudier la miscibilité de 2 protéines, c’est-à-dire leur capacité à former un seul compartiment de phase liquide.
- 4- d’attirer les protéines étudiées sur les microtubules, donc sur la plate-forme d’observation, et ainsi observer les interactions de tous types de protéines, indépendamment de leur emplacement naturel dans la cellule (cytoplasme, noyau).

Observation du phénomène de compartimentation en phase liquide sur la nano plate-forme

Visualisation de la compartimentation

Figure 1. Etude de la miscibilité de couples de protéines
Les protéines sont visualisées par leur marquage fluorescent rouge ou vert.
Les filaments apparaissent rouges ou verts lorsque les protéines se placent sur des portions distinctes des microtubules. Ils apparaissent jaunes lorsque les deux fluorescences se superposent, révélant un mélange des deux molécules sur les filaments et ainsi leur capacité à former un même compartiment.

Les schémas illustrent comment les interactions entre protéines et ARN (molécules bleues sur les schémas) génèrent les compartiments.
En haut : les filaments jaunes montrent une miscibilité parfaite, ce qui est attendu puisque le couple est constitué de la même protéine.
Au milieu : la plupart des filaments apparaissent jaunes, montrant que les deux protéines interagissent fortement et forment dans la cellule un compartiment de phase liquide.
En bas : les filaments sont soient rouges, soient verts ; ils révèlent l’absence d’interaction entre les protéines, qui constituent deux compartiments distincts.

Référence
Microtubules as platforms for probing liquid-liquid phase separation in cells –
application to RNA-binding proteins. Journal of Cell Science (2018) 131, jcs214692.
doi:10.1242/jcs.214692

- Lire l’article

#Biotechnologies #Laboratoires #Nanotechnologies