La combinaison d’AlphaFold2 avec des techniques expérimentales et informatiques a aidé les scientifiques à comprendre l’architecture du complexe de pores nucléaires humains de manière plus détaillée que jamais auparavant.
Le complexe de pores nucléaires humains (NPC) est un véritable géant moléculaire, qui siège sur la membrane séparant le noyau du cytoplasme. Il a la forme d’un beignet et fonctionne à la fois comme une passerelle et un point de contrôle pour les molécules qui voyagent entre le cytoplasme et le noyau. Ainsi, le NPC facilite les processus fondamentaux dans la cellule, tels que l’expression et la traduction des gènes. Le système de transport nucléaire joue également un rôle dans plusieurs maladies, notamment les troubles neurodégénératifs, le cancer et les infections virales.
Quelle est la structure du PNJ ? Comment ses protéines sont-elles collées ensemble ? Comment se fixe-t-il à la membrane nucléaire ? Ces questions et d’autres ont maintenant reçu une réponse du groupe Kosinski de l’EMBL de Hambourg et du Centre de biologie des systèmes structurels (CSSB), des laboratoires Beck et Hummer de l’Institut Max Planck de biophysique et de collaborateurs. Ils ont créé le modèle le plus complet du NPC humain à ce jour en combinant le programme de prédiction de la structure des protéines AlphaFold2 avec des techniques telles que la tomographie cryo-électronique, la cryo-EM à particule unique et la modélisation intégrative.
Le complexe de pores nucléaires humains (NPC) est un complexe moléculaire en forme de beignet composé de 30 protéines différentes disposées en ca. 1000 exemplaires. Il pèse 120 MDa, ce qui à l’échelle cellulaire est énorme. Crédit : Agnieszka Obarska-Kosińska/EMBL et MPI de biophysique
Pour les biologistes structuraux, le PNJ humain est un puzzle 3D stimulant mais passionnant, avec environ 30 protéines différentes présentes chacune en plusieurs exemplaires. Cela équivaut à environ 1000 pièces de puzzle, qui forment un noyau rond entouré de pièces flexibles. Jusqu’à présent, les modèles les plus précis du noyau humain des PNJ ne couvraient que 46 % de la structure. Mais maintenant, en s’appuyant sur deux décennies de recherches antérieures dans le domaine, les scientifiques ont créé un nouveau modèle de la structure du PNJ qui couvre plus de 90 % de son noyau.
Alors que les modèles NPC précédemment proposés présentaient des lacunes et ne contenaient certaines protéines que dans des fragments, le nouveau modèle supprime une grande partie de cette ambiguïté.
« C’est comme lorsque vous démontez et remontez un appareil électronique. Il restera toujours des vis, et vous ne savez tout simplement pas où elles sont censées se trouver », a déclaré le chef du groupe EMBL, Jan Kosinski, qui a co-dirigé l’enquête. « Nous avons finalement réussi à équiper la plupart d’entre eux, et maintenant, nous savons exactement où ils se trouvent, ce qu’ils font et comment. »
L’expérimentation et l’intelligence artificielle travaillent ensemble
Comment les scientifiques y sont-ils parvenus ? La clé était de combiner plusieurs méthodes expérimentales et informatiques. Cela a permis aux scientifiques de visualiser le PNJ à différentes échelles et niveaux de détail.
Par exemple, pour modéliser la silhouette globale du PNJ, les chercheurs ont utilisé la cryo-tomographie électronique. Grâce à cette technique, ils ont pu observer le PNJ dans son environnement cellulaire, plutôt qu’isolé. Plus de détails sur les éléments constitutifs des protéines individuelles ont été révélés par AlphaFold2, un programme basé sur l’intelligence artificielle qui prédit les structures des protéines, créé par la société DeepMind.
« AlphaFold2 a été un moment décisif pour nous », a déclaré Agnieszka Obarska-Kosińska, postdoc qui a effectué la modélisation moléculaire. « Avant, nous ne connaissions pas la structure de nombreuses protéines au sein du PNJ. Vous ne pouvez pas assembler un puzzle si vous ne savez pas à quoi ressemblent les pièces. Mais AlphaFold2 combiné à d’autres approches nous a permis de prédire ces formes. »
Pour affiner encore le tableau, les chercheurs ont utilisé ColabFold, une version d’AlphaFold2 modifiée par la communauté scientifique pour modéliser les interactions entre protéines. Cela leur a permis de visualiser comment les différentes pièces du puzzle se combinent pour former des sous-complexes plus petits, et comment ces sous-complexes sont ensuite collés ensemble pour former le PNJ.
Enfin, ils ont assemblé toutes les pièces à l’aide du logiciel Assembline précédemment développé par le groupe Kosinski, et l’ont validé par rapport à des données expérimentales.
Le modèle résultant était si complet et détaillé qu’il a permis aux chercheurs de créer des simulations moléculaires résolues dans le temps qui expliquent comment les protéines NPC et la membrane nucléaire interagissent pour créer un pore stable et comment il répond aux signaux mécaniques.
Directions futures
Ce travail a été un grand pas en avant pour la recherche sur les PNJ, mais il reste encore beaucoup à explorer.
« Ce travail illustre comment, à l’avenir, la biologie structurale embrassera la biologie cellulaire pour créer des modèles atomiques d’assemblages toujours plus grands de molécules qui remplissent différentes fonctions dans différentes parties de la cellule », a déclaré Martin Beck. Gerhard Hummer est d’accord : « Nous pouvons maintenant penser à construire un modèle dynamique complet du NPC et simuler le transport nucléaire dans les détails atomiques. »
Le groupe Kosinski orientera ses travaux futurs vers le développement de méthodes automatiques d’intégration de données structurelles et microscopiques à l’aide d’AlphaFold2 et de son propre logiciel Assembline. Ils prévoient d’appliquer ces approches à l’étude des processus moléculaires à l’origine des infections virales.
La recherche a été publiée dans La science.
Shyamal Mosalaganti et al, la prédiction de structure basée sur l’IA permet une analyse structurelle intégrative des pores nucléaires humains, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abm9506