Comment les chercheurs ont résolu un mystère vieux de plusieurs décennies concernant le volume cellulaire

Un film psychédélique de cellules stressées sous un microscope a envoyé une équipe de physiologistes et de biologistes du rein de l’Université de Pittsburgh et de l’Université Carnegie Mellon dans un voyage pour résoudre un mystère : Comment les cellules contrôlent-elles leur volume ?

Leur étude, publiée aujourd’hui dans Celluleexplique comment les scientifiques ont utilisé un peu de sérendipité pour relier les points d’un puzzle proposé pour la première fois il y a trois décennies.

« Nous faisions des expériences d’imagerie par fluorescence en direct qui n’étaient pas liées à cette étude, et lorsque nous avons ajouté une solution saline aux cellules, le matériel cytoplasmique interne s’est rapidement transformé en une lampe à lave fluorescente », a déclaré Daniel Shiwarski, Ph.D., chercheur postdoctoral. chercheur à l’Université Carnegie Mellon, décrivant comment lui et sa femme, co-auteur principal Cary Boyd-Shiwarski, MD, Ph.D., ont transformé une expérimentation fortuite en une découverte inattendue.

« Je l’ai regardée et elle m’a demandé ce qui se passait, comme si j’étais censé le savoir », a-t-il déclaré. « Et j’ai dit : ‘Je n’en ai aucune idée, mais je pense que c’est probablement quelque chose d’important !' »

Lorsque les cellules sont exposées à un stress extérieur soudain, comme des niveaux élevés de sel ou de sucre, leur volume peut diminuer. Au début des années 1990, les scientifiques ont proposé que les cellules restaurent leur volume en surveillant d’une manière ou d’une autre leur concentration en protéines, ou à quel point elles étaient « encombrées » à l’intérieur de la cellule. Mais ils ne savaient pas comment la cellule ressentait le surpeuplement.

Puis, au début des années 2000, un type d’enzyme appelé kinases sans lysine, ou « WNK », a été découvert. Pendant des années, les scientifiques ont soupçonné que les kinases WNK inversaient le rétrécissement des cellules, mais la manière dont elles y parvenaient était également un mystère.

La nouvelle recherche résout les deux énigmes, dévoilant comment les kinases WNK activent le « commutateur » qui ramène le volume cellulaire à l’équilibre grâce à un processus appelé séparation de phases.

« L’intérieur d’une cellule contient du cytosol, et généralement les gens pensent que ce cytosol est diffus, avec toutes sortes de molécules flottant dans une solution parfaitement mélangée », a déclaré l’auteur principal Arohan R. Subramanya, MD, professeur agrégé au Renal-Electrolyte. Division de la Pitt’s School of Medicine et médecin du personnel du VA Pittsburgh Healthcare System.

« Mais il y a eu ce changement de paradigme dans notre réflexion sur le fonctionnement du cytosol. C’est vraiment comme une émulsion avec un tas de petits amas et gouttelettes de protéines minuscules, puis lorsqu’un stress tel que la surpopulation se produit, ils se réunissent en grosses gouttelettes qui vous pouvez souvent voir avec un microscope. »

Ces gouttelettes ressemblant à des liquides étaient la « lampe à lave » que Shiwarski et Boyd-Shiwarski voyaient ce jour fatidique où ils ont expérimenté l’ajout d’une solution saline aux cellules. Ils avaient marqué par fluorescence les WNK, qui se diffusaient dans tout le cytosol, faisant briller toute la cellule. Lorsque du sel a été ajouté, les WNK se sont réunis, formant de gros globules vert fluo qui suintaient autour de la cellule comme la glu dans une lampe à lave.

L’équipe a caractérisé ce qu’elle considérait comme une séparation de phase, c’est-à-dire lorsque les WNK se condensent en gouttelettes avec les molécules qui activent les transporteurs de sel de la cellule. Cette étape permet à la cellule d’importer à la fois des ions et de l’eau, ramenant le volume de la cellule à son état d’origine en quelques secondes.

La séparation de phases est un domaine d’intérêt émergent, mais la question de savoir si ce processus était ou non une partie importante de la fonction cellulaire a fait l’objet d’une controverse.

« Il y a beaucoup de gens qui ne croient pas que la séparation des phases soit physiologiquement pertinente », a expliqué Boyd-Shiwarski, professeur adjoint à la division Renal-Electrolyte de la Pitt’s School of Medicine. « Ils pensent que c’est quelque chose qui se passe dans un tube à essai lorsque vous surexprimez des protéines ou qui se produit comme un processus pathologique, mais qui ne se produit pas vraiment dans des cellules saines normales. »

Mais au cours des six dernières années, l’équipe a mené plusieurs études utilisant des facteurs de stress similaires aux fluctuations qui se produisent dans le corps humain pour montrer que la séparation de phase des WNK est une réponse fonctionnelle à l’encombrement.

La récupération du volume cellulaire a également des implications pour la santé humaine, a expliqué Subramanya : « L’une des raisons pour lesquelles nous sommes si excités est que la prochaine étape pour nous est de ramener cela dans le rein. »

D’autres WNK activent le transport du sel dans les cellules des tubules rénaux lorsque les niveaux de potassium sont faibles en formant des condensats spécialisés par séparation de phase, appelés corps WNK. Les régimes occidentaux modernes sont souvent faibles en potassium, donc tout en essayant de réguler le volume cellulaire, les corps WNK peuvent contribuer à l’hypertension sensible au sel.

Bien que la nouvelle découverte n’ait pas d’applications cliniques immédiates, l’équipe est ravie de tirer parti de ce qu’elle a appris et d’explorer les liens entre les WNK, la séparation de phases et la santé humaine. À terme, leurs travaux pourraient permettre de mieux comprendre comment prévenir les accidents vasculaires cérébraux, l’hypertension artérielle et les troubles de l’équilibre potassique.