Une nouvelle façon de voir l’activité à l’intérieur d’une cellule vivante

Les cellules vivantes sont bombardées de nombreux types de signaux moléculaires entrants qui influencent leur comportement. Être capable de mesurer ces signaux et la manière dont les cellules y répondent via des réseaux de signalisation moléculaire en aval pourrait aider les scientifiques à en apprendre beaucoup plus sur le fonctionnement des cellules, y compris sur ce qui se passe lorsqu’elles vieillissent ou tombent malades.

À l’heure actuelle, ce type d’étude approfondie n’est pas possible car les techniques actuelles d’imagerie cellulaire se limitent à une poignée de types de molécules différents au sein d’une cellule à la fois. Cependant, les chercheurs du MIT ont développé une méthode alternative qui leur permet d’observer jusqu’à sept molécules différentes à la fois, et potentiellement même plus.

« Il existe de nombreux exemples en biologie où un événement déclenche une longue cascade d’événements en aval, qui provoque ensuite une fonction cellulaire spécifique », explique Edward Boyden, professeur Y. Eva Tan en neurotechnologie. « Comment cela se produit-il ? C’est sans doute l’un des problèmes fondamentaux de la biologie, et nous nous sommes donc demandé : pourriez-vous simplement regarder cela se produire ? »

La nouvelle approche utilise des molécules fluorescentes vertes ou rouges qui scintillent à des rythmes différents. En imaginant une cellule pendant plusieurs secondes, minutes ou heures, puis en extrayant chacun des signaux fluorescents à l’aide d’un algorithme informatique, la quantité de chaque protéine cible peut être suivie à mesure qu’elle évolue dans le temps.

Boyden, qui est également professeur de génie biologique et de sciences du cerveau et des sciences cognitives au MIT, chercheur au Howard Hughes Medical Institute et membre du McGovern Institute for Brain Research et du Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT, ainsi que du co- directeur du K. Lisa Yang Center for Bionics, est l’auteur principal de l’étude, qui paraît dans Cellule. Yong Qian, postdoctorant au MIT, est l’auteur principal du papier.

Signaux fluorescents

Le marquage de molécules à l’intérieur des cellules avec des protéines fluorescentes a permis aux chercheurs d’en apprendre beaucoup sur les fonctions de nombreuses molécules cellulaires. Ce type d’étude est souvent réalisé avec la protéine fluorescente verte (GFP), qui a été déployée pour la première fois en imagerie dans les années 1990. Depuis lors, plusieurs protéines fluorescentes qui brillent dans d’autres couleurs ont été développées à des fins expérimentales.

Cependant, un microscope optique classique ne peut distinguer que deux ou trois de ces couleurs, ce qui ne donne aux chercheurs qu’un petit aperçu de l’activité globale qui se déroule à l’intérieur d’une cellule. S’ils pouvaient suivre un plus grand nombre de molécules marquées, les chercheurs pourraient par exemple mesurer la réponse d’une cellule cérébrale à différents neurotransmetteurs au cours de l’apprentissage, ou étudier les signaux qui incitent une cellule cancéreuse à métastaser.

« Idéalement, vous seriez en mesure d’observer les signaux dans une cellule lorsqu’ils fluctuent en temps réel, puis vous pourriez comprendre comment ils sont liés les uns aux autres. Cela vous indiquerait comment la cellule calcule », explique Boyden. « Le problème, c’est qu’on ne peut pas regarder beaucoup de choses en même temps. »

En 2020, le laboratoire de Boyden a développé un moyen d’imager simultanément jusqu’à cinq molécules différentes dans une cellule, en ciblant des rapporteurs lumineux vers des emplacements distincts à l’intérieur de la cellule. Cette approche, connue sous le nom de « multiplexage spatial », permet aux chercheurs de distinguer les signaux de différentes molécules même si elles émettent toutes la même couleur fluorescente.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont adopté une approche différente : au lieu de distinguer les signaux en fonction de leur emplacement physique, ils ont créé des signaux fluorescents qui varient dans le temps. La technique repose sur des « fluorophores commutables » : des protéines fluorescentes qui s’allument et s’éteignent à une vitesse spécifique.

Pour cette étude, Boyden et les membres de son groupe ont identifié quatre fluorophores verts commutables, puis en ont conçu deux autres, qui s’allument et s’éteignent tous à des rythmes différents. Ils ont également identifié deux protéines fluorescentes rouges qui commutent à des rythmes différents et ont conçu un fluorophore rouge supplémentaire.

Chacun de ces fluorophores commutables peut être utilisé pour marquer un type différent de molécule dans une cellule vivante, comme une enzyme, une protéine de signalisation ou une partie du cytosquelette cellulaire. Après avoir photographié la cellule pendant plusieurs minutes, heures ou même jours, les chercheurs utilisent un algorithme informatique pour détecter le signal spécifique de chaque fluorophore, de la même manière que l’oreille humaine peut détecter différentes fréquences sonores.

« Dans un orchestre symphonique, vous avez des instruments aigus, comme la flûte, et des instruments graves, comme le tuba. Et au milieu se trouvent des instruments comme la trompette. Ils ont tous des sons différents, et notre oreille les trie,  » dit Boyden.

La technique mathématique utilisée par les chercheurs pour analyser les signaux des fluorophores est connue sous le nom de démélange linéaire. Cette méthode peut extraire différents signaux fluorophores, de la même manière que l’oreille humaine utilise un modèle mathématique connu sous le nom de transformée de Fourier pour extraire différentes hauteurs d’un morceau de musique.

Une fois cette analyse terminée, les chercheurs peuvent voir quand et où chacune des molécules marquées par fluorescence a été trouvée dans la cellule pendant toute la période d’imagerie. L’imagerie elle-même peut être réalisée avec un simple microscope optique, sans aucun équipement spécialisé requis.

Phénomènes biologiques

Dans cette étude, les chercheurs ont démontré leur approche en marquant six molécules différentes impliquées dans le cycle de division cellulaire, dans les cellules de mammifères. Cela leur a permis d’identifier des modèles dans la façon dont les niveaux d’enzymes appelées kinases dépendantes de la cycline changent à mesure qu’une cellule progresse dans le cycle cellulaire.

Les chercheurs ont également montré qu’ils pouvaient marquer d’autres types de kinases, impliquées dans presque tous les aspects de la signalisation cellulaire, ainsi que des structures cellulaires et des organites tels que le cytosquelette et les mitochondries. En plus de leurs expériences utilisant des cellules de mammifères cultivées dans une boîte de laboratoire, les chercheurs ont montré que cette technique pouvait fonctionner dans le cerveau des larves de poisson zèbre.

Selon les chercheurs, cette méthode pourrait être utile pour observer comment les cellules réagissent à tout type d’apport, comme les nutriments, les facteurs du système immunitaire, les hormones ou les neurotransmetteurs. Il pourrait également être utilisé pour étudier la façon dont les cellules réagissent aux changements dans l’expression des gènes ou aux mutations génétiques. Tous ces facteurs jouent un rôle important dans des phénomènes biologiques tels que la croissance, le vieillissement, le cancer, la neurodégénérescence et la formation de la mémoire.

« On pourrait considérer tous ces phénomènes comme représentant une classe générale de problèmes biologiques, dans lesquels un événement à court terme, comme manger un nutriment, apprendre quelque chose ou contracter une infection, génère un changement à long terme », explique Boyden.

En plus de poursuivre ce type d’études, le laboratoire de Boyden travaille également à élargir le répertoire de fluorophores commutables afin qu’ils puissent étudier encore plus de signaux au sein d’une cellule. Ils espèrent également adapter le système afin qu’il puisse être utilisé dans des modèles de souris.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.