En biologie, se débarrasser de choses peut être tout aussi important que de les fabriquer. Une accumulation de cellules, de protéines ou d’autres molécules qui ne sont plus nécessaires peut causer des problèmes, de sorte que les êtres vivants ont développé plusieurs façons de nettoyer la maison.
Un excellent exemple est l’exosome d’ARN. Les molécules d’ARN remplissent de nombreux rôles dans les cellules. Certains d’entre eux sont traduits en protéines; d’autres forment la machinerie de fabrication des protéines d’une cellule. L’exosome d’ARN est une machine cellulaire qui dégrade les molécules d’ARN défectueuses, nocives ou devenues inutiles. Sans cette microscopique Marie Kondo pour tailler ce qui ne suscite pas la joie, nos cellules deviendraient des accumulatrices dysfonctionnelles, incapables de fonctionner.
« Les voies de surveillance et de dégradation de l’ARN existent dans toutes les formes de vie », explique Christopher Lima, président du programme de biologie structurale de l’Institut Sloan Kettering. « De la bactérie à l’homme, tous les êtres vivants ont des mécanismes pour surveiller la qualité de l’ARN et le dégrader délibérément. »
Pendant longtemps, dit le Dr Lima, ces voies ont été considérées, comme les tâches ménagères, comme ennuyeuses. Mais il s’avère que ces voies de dégradation sont très régulées et contrôlent tout, du développement embryonnaire à la progression du cycle cellulaire.
De plus, des erreurs dans ces voies peuvent entraîner de nombreux types de maladies, du cancer à la neurodégénérescence.
Dans un nouvel article publié le 9 juin 2022 dans Cellule, le Dr Lima et M. Rhyan Puno, stagiaire postdoctoral au laboratoire de Lima, présentent des découvertes qui aident à expliquer comment l’exosome d’ARN localise l’ARN qui doit être dégradé. À l’aide de la microscopie électronique cryogénique (cryo-EM), un type avancé de technologie d’imagerie, les scientifiques ont pu déchiffrer la structure d’un assemblage de protéines appelé Complexe de ciblage des exosomes nucléaires (NEXT), qui est un élément clé de la dégradation machinerie.
« Nous savions que NEXT cible et délivre de l’ARN à l’exosome, mais biochimiquement et structurellement, nous n’avions aucune idée de ce à quoi il ressemble ni de son fonctionnement », explique le Dr Puno.
Maintenant, avec cryo-EM, les scientifiques ont obtenu les premières images claires de NEXT lié à l’ARN. Ces images, associées aux expériences biochimiques et biologiques qui les accompagnent, offrent des indices sur la manière dont les molécules d’ARN sont transmises à l’exosome pour être détruites.
Se rapprocher d’une structure
Il y a plusieurs années, le Dr Puno a commencé à étudier la structure de NEXT en utilisant l’approche de référence de la cristallographie aux rayons X. Dans cette méthode, les protéines sont d’abord transformées en cristaux, les protéines étant toutes alignées de la même manière. Ensuite, les rayons X traversent les cristaux et le schéma des rayons X qui frappent un détecteur peut être interprété pour déterminer la structure de la protéine.
Alors que le Dr Puno a pu cristalliser la protéine NEXT, les images de diffraction des rayons X qui en ont résulté n’étaient pas assez bonnes pour voir les détails de la structure.
« Mais ensuite est venue la révolution cryo-EM », dit-il. « Cryo-EM nous a aidés à visualiser à quoi ressemble cette protéine et comment elle se lie à ses substrats d’ARN. »
Visualiser les protéines en mouvement
Cryo-EM fonctionne en capturant de nombreuses images différentes d’un échantillon congelé mais non cristallisé d’une protéine, puis en utilisant des méthodes de calcul pour les aligner dans une image nette finalisée.
« C’est presque comme capturer un tas de photos d’un oiseau en vol », explique le Dr Lima. « Il y a toutes sortes de mouvements déroutants et les ailes de l’oiseau peuvent sembler floues. Mais si nous pouvons trouver des parties de l’aile dans toutes ces différentes images, alors nous pouvons aligner les images pour reconstruire à quoi ressemblent les ailes de l’oiseau et déterminer comment elles travailler. »
À partir des images cryo-EM, les scientifiques ont pu voir que les protéines NEXT forment un dimère très flexible, ce qui signifie que deux copies des protéines NEXT se rejoignent en une unité fonctionnelle.
« C’était vraiment, vraiment déroutant », déclare le Dr Puno, notant que la formation de dimères n’avait jamais été visualisée auparavant pour ces types de protéines.
« D’après les expériences biochimiques que nous avons effectuées, nous savons que la dimérisation est en quelque sorte importante pour la dégradation », poursuit-il. « Mais c’est toujours un mystère pour nous quel rôle joue le dimère dans le guidage de l’ARN vers l’exosome. »
Pour aider à résoudre le mystère, ils espèrent capturer le complexe NEXT interagissant à différentes étapes du processus de dégradation, puis visualiser ces conformations avec cryo-EM.
Dégradation de l’ARN et maladie
Il y a de gros enjeux. Une indication de l’importance de la dégradation de l’ARN provient de la longue liste de maladies qui résultent d’une dégradation défectueuse ou mal contrôlée. L’exemple le plus célèbre est peut-être la fibrose kystique. Dans ce cas, l’ARN messager codant pour une protéine qui transporte les ions à travers les membranes cellulaires est dégradé par les voies de désintégration de l’ARN. En conséquence, la protéine n’est pas présente dans les muqueuses des poumons, ce qui entraîne une accumulation de mucus à cet endroit et entraîne une respiration gravement altérée.
« C’est un exemple célèbre de contrôle de la qualité de l’ARN avec de mauvais résultats », explique le Dr Lima.
Mais des défauts dans les voies de dégradation de l’ARN jouent également un rôle dans plusieurs types de cancer. En fait, deux des mutations génétiques que la plateforme de tests génétiques de MSK, MSK-IMPACT, teste se trouvent dans des gènes liés à la voie de l’exosome de l’ARN, y compris une protéine dans NEXT.
Et ce n’est pas seulement l’ARN messager qui a besoin d’un contrôle de qualité approprié, explique le Dr Lima.
« La réalité est que si vous avez des voies de contrôle de la qualité de l’ARN défectueuses, vos ribosomes ne fonctionnent pas, vos ARN de transfert ne fonctionnent pas, vos spliceosomes ne fonctionnent pas. » La liste se rallonge de plus en plus.
L’étendue des fonctions que l’ARN remplit explique pourquoi les voies de dégradation défectueuses de l’ARN peuvent avoir de tels effets pathogènes en cascade.
Donner un sens à ces effets nécessitera une compréhension plus approfondie et plus approfondie non seulement de l’exosome d’ARN lui-même, mais également des protéines « en amont », comme NEXT, qui aident à surveiller l’ARN et à décider quand un ARN est défectueux ou n’est plus nécessaire.
« Le rêve est d’initier la réaction de dégradation de l’ARN, de placer l’échantillon dans le cryo-EM et de voir toutes les confirmations possibles pendant qu’il fait son travail », explique le Dr Lima. « En tant que biologistes structuraux, nous voulons être en mesure de voir les processus en action, puis de les réassembler. »
M. Rhyan Puno et al, Base structurelle de la surveillance de l’ARN par le complexe de ciblage de l’exosome nucléaire humain (NEXT), Cellule (2022). DOI : 10.1016/j.cell.2022.04.016