Comment s'assemble un grand complexe de protéines dans une cellule

Les cellules produisent un grand nombre de complexes protéiques différents, qui sont eux-mêmes composés d'une multitude de protéines individuelles. De tels complexes protéiques, comme les ribosomes, régulent presque toutes les fonctions biologiques vitales d'une cellule.

Entre-temps, les biologistes ont réussi à déterminer la structure d'un grand nombre de ces complexes protéiques. En revanche, peu de recherches ont été menées sur la manière dont ces complexes de protéines individuelles s'assemblent et se modifient au fil du temps. Avec les approches courantes, les scientifiques n'ont guère pu étudier le déroulement exact de ces réactions dans les cellules, notamment en ce qui concerne les grands complexes.

Un groupe de chercheurs de l'ETH, dirigé par Karsten Weis et son collaborateur scientifique Evgeny Onischenko à l'Institut de biochimie de l'ETH Zurich, présente aujourd'hui une nouvelle approche. Grâce à cette méthode, il est possible de suivre la dynamique des réactions d'assemblage de n'importe quel complexe protéique, même très grand, avec une haute résolution temporelle. L'étude vient de paraître dans la revue spécialisée "page externeCell".

Inspiré par les analyses du métabolisme

Les chercheurs de l'ETH appellent leur nouvelle méthode "KARMA" (Kinetic analysis of incorporation rates in macromolecular assemblies). Karma" s'inspire des méthodes d'analyse des processus métaboliques. Pour étudier le métabolisme, les scientifiques utilisent depuis longtemps le carbone radioactif, avec lequel ils marquent par exemple les molécules de glucose. Les cellules les absorbent et les transforment dans leur métabolisme. Grâce au marquage radioactif, les chercheurs peuvent suivre où et à quel moment les molécules de glucose ou leurs métabolites apparaissent.

"Ce type d'étude nous a inspiré à explorer les réactions d'assemblage de complexes protéiques selon un principe similaire", explique Weis. Et plus précisément, les chercheurs de l'ETH utilisent des acides aminés marqués, les éléments de base des protéines, qui contiennent des variantes de carbone et d'azote isotopiquement plus lourdes. Dans une culture de cellules de levure, les chercheurs remplacent les acides aminés légers par leurs homologues plus lourds. Lors de la synthèse de protéines, les levures utilisent ensuite ces acides aminés lourds, ce qui a un impact sur le poids moléculaire des protéines nouvellement produites.

Accélération de la formation de complexes

Les chercheurs retirent à intervalles réguliers des cellules de levure des cultures pour isoler des complexes de protéines. Grâce à la spectrométrie de masse, les scientifiques mesurent la minuscule différence de poids entre les molécules contenant des acides aminés plus lourds et celles qui n'en contiennent pas. Cela donne une idée de l'âge d'une protéine dans un complexe. Pour simplifier, on peut dire que plus une protéine est ancienne, plus elle a été intégrée tôt dans le complexe. Grâce à des modèles cinétiques, les chercheurs peuvent finalement reconstruire l'ordre exact de la construction d'un complexe de protéines à partir de ces différences d'âge.

Comme étude de cas pour valider leur méthode, Weis et ses collaborateurs ont choisi le complexe de pores nucléaires de cellules de levure. Cette structure comprend 500 à 1000 éléments de construction composés d'une trentaine de protéines différentes, qui apparaissent chacune plusieurs fois. Cette structure est donc l'un des plus grands complexes protéiques connus.

A l'aide de "Karma", les biochimistes de l'ETH ont pu déterminer en détail quand quels modules sont intégrés. Les chercheurs ont notamment découvert un principe hiérarchique : des protéines individuelles forment en très peu de temps des sous-unités qui s'assemblent ensuite selon une séquence déterminée en partant du centre jusqu'à la périphérie.

Structure de base durable

"Nous avons maintenant pu montrer pour la première fois que certaines protéines ont été utilisées très rapidement pour la construction du complexe de pores. D'autres, en revanche, n'ont été intégrées au complexe qu'au bout d'une heure. C'est étonnamment long", explique Weis. Une cellule de levure se divise toutes les 90 minutes. Pour la construction complète du complexe de pores si important, cela signifie donc qu'une cellule de levure a besoin de presque toute une génération. On ne sait pas pourquoi l'assemblage de nouveaux pores prend autant de temps par rapport au cycle de reproduction de la levure.

Les chercheurs de l'ETH montrent en outre que le pore, une fois terminé, a des composants très stables et durables, comme la structure de base interne, dans laquelle les composants ne sont pratiquement pas remplacés pendant la durée de vie. En revanche, les protéines situées à la périphérie du complexe du pore central sont fréquemment remplacées.

Des pores nucléaires défectueux favorisent les maladies

Les pores nucléaires font partie des complexes protéiques les plus importants dans les cellules. Ils sont responsables de l'échange de substances et de molécules entre le noyau cellulaire et le suc cellulaire. Les pores nucléaires transportent par exemple l'ARN messager hors du noyau cellulaire. La machinerie cellulaire à l'extérieur du noyau a besoin de ces molécules comme plan de construction pour de nouvelles protéines.

Les pores nucléaires sont en outre directement ou indirectement impliqués dans les maladies humaines. Ainsi, des modifications du pore nucléaire et de ses protéines jouent un rôle dans les leucémies, les maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer ou dans le diabète. "D'une manière générale, on ne comprend toutefois pas bien pourquoi des défauts au niveau du pore conduisent à ces pathologies", explique Weis. Grâce à "Karma", de telles questions pourraient être mieux abordées à l'avenir.

Plate-forme polyvalente

"Bien que dans ce travail, nous n'ayons appliqué le "karma" qu'à un seul complexe protéique, nous sommes enthousiastes quant aux possibilités d'application futures, et notre méthode permet désormais de décrypter le déroulement temporel de nombreux processus biologiques", souligne le professeur de l'ETH. Il est ainsi possible d'étudier avec cette technique les événements moléculaires qui se produisent pendant le cycle d'infection des virus comme Covid-19. Cela pourrait ensuite aider à trouver de nouveaux candidats médicaments qui bloquent le cycle d'infection.

En outre, la nouvelle méthode peut être étendue au-delà des protéines à d'autres molécules biologiques comme l'ARN ou les lipides.