Une seule cellule humaine regorge de 100 000 protéines différentes. L’actine est l’une des plus abondantes et essentielles de toutes. Cette protéine forme des filaments qui aident à constituer le squelette des cellules en leur donnant forme. Et à mesure que les filaments d’actine s’allongent, ils fonctionnent comme des muscles, poussant contre la membrane interne d’une cellule pour la faire avancer.
Trois autres protéines sont connues pour piloter les activités de l’actine. Une classe de protéines assemble des molécules d’actine individuelles en filaments d’actine, une autre provoque l’arrêt de la croissance des filaments et une troisième désassemble les filaments.
Les biophysiciens de l’Université Emory ont cependant découvert une vision encore plus complexe et nuancée de la façon dont ces trois protéines influencent ensemble la dynamique de l’actine. Communication Nature ont publié les résultats, montrant comment ces protéines passent parfois d’actes en solo ou en duo à un trio, ce qui leur permet d’affiner l’activité des filaments d’actine.
La découverte ouvre une autre fenêtre sur la dynamique du mouvement cellulaire, qui est la clé des processus allant de la différenciation des cellules souches et de la cicatrisation des plaies au développement de maladies telles que le cancer.
« Nous avons constaté que si ces trois protéines font une chose lorsqu’elles travaillent seules, elles font une chose complètement différente lorsque les deux autres protéines les rejoignent », explique Shashank Shekhar, professeur adjoint Emory de physique et de biologie cellulaire et auteur principal de l’étude. « Ça devient vraiment complexe, très vite. »
« Personne n’avait examiné toutes ces protéines interagissant simultanément sur l’actine », ajoute Heidi Ulrichs, co-première auteure de l’étude et titulaire d’un doctorat Emory. candidat en biochimie, biologie cellulaire et du développement. « Notre article est le premier rapport de tous les trois occupant la même extrémité barbelée d’un filament d’actine. »
Ulrichs a travaillé en étroite collaboration sur le projet avec Ignas Gaska, un boursier postdoctoral du laboratoire Shekkhar qui est co-premier auteur de l’article.
S’appuyer sur des recherches antérieures
La recherche sur la façon dont les protéines agissent individuellement sur l’actine est relativement bien caractérisée.
Une protéine polymérase, telle que la formine, entraîne l’allongement de l’actine. La formine se positionne à l’extrémité d’un filament d’actine, s’accroche aux molécules d’actine flottantes et les empile une par une pour continuer à croître jusqu’à l’extrémité.
Les protéines de dépolymérase, telles que la twinfiline, sont une autre classe de protéines qui influencent l’actine. Twinfilin fonctionne comme un rouleau anti-peluches, se liant à l’extrémité d’un filament et décollant une molécule à la fois. Twinfilin peut répéter le processus pour démonter entièrement le filament d’actine.
Les protéines connues sous le nom de cappers peuvent arrêter l’allongement et le désassemblage des filaments. Un capsuleur se fixe à l’extrémité d’un filament d’actine et le recouvre comme un chapeau, bloquant l’activité des autres protéines.
Ces connaissances ont été acquises en isolant une protéine à la fois pour étudier son influence sur l’actine. Des études plus récentes ont également montré des interactions simultanées entre la twinfiline et les protéines de coiffage.
Une nouvelle approche utilisant une technologie de pointe
Pour l’étude actuelle, les chercheurs ont voulu explorer si la formine, la twinfiline et la protéine de coiffage pouvaient toutes les trois agir simultanément sur l’actine.
« Une extrémité de filament d’actine est vraiment minuscule, à peine cinq nanomètres de diamètre », explique Shekhar. « On pensait qu’il n’y avait tout simplement pas assez d’espace disponible pour que trois protéines fonctionnent sur un seul filament d’actine à la fois. »
Le laboratoire Shekhar est l’un des rares au monde à utiliser la technique hautement spécialisée de microscopie à fluorescence à réflexion interne totale assistée par microfluidique (mf-TIRF) pour étudier comment le cytosquelette d’actine se remodèle.
Les cellules sont remplies de milliers de protéines qui se déplacent, remplissant différentes fonctions, ce qui rend impossible de toutes les suivre. Les chercheurs doivent isoler les protéines d’intérêt et les étudier en dehors d’un système cellulaire, en les introduisant dans un système microfluidique sur une lame de microscope.
La technologie mf-TIRF permet au laboratoire Shekhar d’attacher des orbes fluorescents à des molécules de protéines uniques afin que les chercheurs puissent mieux observer ce que font ces molécules à travers un microscope.
Dans des expériences, les chercheurs ont marqué des molécules d’actine, de formine, de twinfiline et de la protéine de coiffage avec quatre couleurs différentes qui émettaient une lumière fluorescente. Ils ont ensuite introduit l’actine dans le système microfluidique et ajouté les autres protéines une par une.
Les résultats les ont surpris.
Lorsque la twinfiline, la protéine qui décompose un filament d’actine, a été ajoutée en présence à la fois de formine et de la protéine de coiffage, la twinfiline a en fait fonctionné pour accélérer le processus d’allongement du filament.
« C’est contre-intuitif, ce qui est cool », dit Ulrichs. « En faisant de la science, on est tout le temps surpris. »
Twinfilin seul ne pouvait pas rejoindre la formine à l’extrémité du filament d’actine. Cependant, lorsque la protéine de coiffage était également présente, les trois pouvaient travailler simultanément sur la minuscule surface du filament d’actine.
Shekhar compare les effets des trois protéines travaillant ensemble à un bouton qui permet un contrôle plus précis d’un processus.
« Nos découvertes établissent un nouveau paradigme dans lequel les trois protéines travaillent de concert pour ajuster la vitesse ou la lenteur avec laquelle les filaments d’actine se forment », dit-il.
La dynamique de la façon dont les trois protéines interagissent avec l’actine est fondamentale pour résoudre les mystères complexes du fonctionnement normal des cellules et de ce qui se passe lorsque quelque chose ne va pas.
« Nous accumulons des connaissances, étape par étape, étude par étude, sur la dynamique de ce qui se passe à l’intérieur d’une cellule », explique Ulrichs.
Plus d’information:
Heidi Ulrichs et al, Régulation multicomposant de l’assemblage des extrémités barbelées de l’actine par la twinfiline, la formine et la protéine de coiffage, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-39655-3