Outil multifonctionnel de la cellule

Les cellules sont souvent confrontées au problème suivant : elles sont entourées d'un nuage de parfum prometteur et devraient croître dans la direction de la source de parfum. Les cellules nerveuses, par exemple, forment de longs prolongements qui sont attirés par les signaux d'autres cellules, créant ainsi le réseau du système nerveux ; les cellules phagocytaires reconnaissent les odeurs des germes pathogènes afin de les poursuivre de manière ciblée et de les détruire.

Mais comment les cellules perçoivent-elles ces signaux olfactifs qui s'affaiblissent à mesure qu'elles s'éloignent de la source ? Comment les cellules "lisent" cet affaiblissement du signal - appelé en langage technique gradient de signal - pour orienter leur croissance ou leur mouvement dans la direction de la source du signal ? Pour la biologie, il s'agit d'une question fondamentale sur la manière dont les signaux spatiaux sont perçus et d'une énigme largement non résolue à ce jour.

Capteur, processeur et moteur en un

Aujourd'hui, les chercheurs réunis autour du professeur Matthias Peter de l'Institut de biochimie de l'ETH présentent une solution possible : les cellules de levure au moins disposent d'un outil multifonctionnel très finement réglable qui reconnaît les signaux chimiques, les traite en conséquence et déclenche la bonne réaction - croissance en direction de la source du signal. Ainsi, les cellules de levure sentent où se trouvent des partenaires sexuels potentiels dans l'environnement, de sorte qu'elles peuvent croître en direction de ces derniers.

Pour leur étude, les biologistes se sont basés d'une part sur des observations microscopiques, d'autre part sur un modèle informatique qu'ils ont développé en collaboration multidisciplinaire avec des chercheurs de l'Automatic Control Lab autour de Heinz Köppel (maintenant à l'Université technique de Darmstadt).

Amas de protéines à la demande

Si la cellule soupçonne un gradient de signal dans son environnement, elle assemble l'outil multifonctionnel à un endroit aléatoire de la membrane. Cet outil est un grand complexe de protéines composé de plus de 100 composants différents. Ce complexe est si grand qu'il peut être vu au microscope à fluorescence. Les chercheurs l'appellent "Polarity Site" (PS), car là où il se forme, la croissance polaire commence.

Grâce à la microscopie à fluorescence, les chercheurs ont maintenant pu observer comment le PS trouve la source du signal d'un gradient. Dans un premier temps, le PS se déplace le long de la membrane pour trouver le signal le plus fort suivant. Dès que le PS a détecté le signal le plus fort - la plus grande quantité de substance de signal dans le gradient - il s'arrête. A cet endroit, la PS forme alors une protubérance de la cellule qui continue à croître en direction de la source du signal. Naturellement, le signal est produit par un partenaire sexuel et les deux cellules fusionnent dès qu'elles se sont trouvées.

Modèle réduit structure complexe

Pour comprendre la mécanique moléculaire de ce processus, les chercheurs ont eu recours au modèle informatique. "Ce modèle nous a beaucoup aidés à réduire la complexité du PS et du processus à quelques éléments indispensables", explique Björn Hegemann, premier auteur d'une étude parue dans la revue spécialisée Development Cell. Parmi ces pièces essentielles de la machinerie, on trouve un récepteur qui capte et transmet le signal. En font également partie la protéine Cdc42, qui guide le récepteur le long de la membrane, et la protéine Cdc24, qui régule l'activité de Cdc42. "On pourrait décrire le récepteur comme le nez, Cdc42 comme la roue de la machinerie et Cdc24 comme son frein", explique Hegemann.

Tant que la PS se déplace sur la membrane cellulaire à la recherche d'un signal chimique plus fort, seules quelques molécules de la protéine de freinage Cdc24 sont présentes dans la machinerie. Une fois qu'elle a trouvé la concentration maximale du signal, elle commande des molécules de Cdc24 supplémentaires, stockées dans le noyau cellulaire, pour le complexe. Plus il y en a qui se fixent sur la machine PS, plus elle ralentit. Mais ce n'est que lorsqu'une certaine valeur limite de Cdc24 est dépassée que la PS s'arrête complètement et commence à former l'excroissance cellulaire.

Une pierre angulaire importante

"Nous avons d'abord observé le mouvement des sites de polarité à l'aide d'un microscope à fluorescence. Nous avons ensuite simulé ce mouvement sur ordinateur, ce qui nous a permis de développer une hypothèse sur la manière dont ce mouvement pourrait être contrôlé. Nous avons ensuite pu confirmer cette hypothèse expérimentalement par des mutations et à l'aide du microscope à fluorescence", se réjouit Hegemann de ces nouvelles découvertes. Le modèle informatique relativement simple a fourni une excellente base pour la planification des expériences. Dans le modèle, ils ont pu modifier très rapidement les composants et ainsi identifier ce qui était important sans avoir recours à des expériences. Cela a simplifié l'étude, car il n'a pas été nécessaire de tout tester expérimentalement.

Hegemann part du principe qu'il n'y a pas que dans les cellules de levure qu'un tel outil multifonctionnel comme le site de polarité est utilisé. Des comportements similaires d'une PS ont également été observés dans la levure de fission (S. pombe) et dans le nématode (C. elegans), sans qu'aucune explication moléculaire n'ait été trouvée. Les chercheurs de l'ETH ont maintenant pu la fournir et expliquer pour la première fois en détail comment les cellules peuvent trouver un gradient de parfum. Ce travail pose une pierre angulaire importante pour d'autres études sur la perception spatiale des signaux par les cellules de la levure, mais aussi par les cellules humaines. Selon Hegemann, il n'y a pas d'applications médicales directes pour le moment : "Dans un avenir lointain, ce travail pourrait tout à fait être utile au grand public. Pour l'instant, il représente surtout un gain de connaissances important dans la recherche fondamentale".