Étudier la microbiologie de toute entité, qu’il s’agisse d’une molécule ou d’un dauphin, signifie idéalement placer un projecteur aussi près que possible du matériau source. Cela peut être particulièrement difficile lorsque vous étudiez l’environnement Rube Goldberg du noyau d’une cellule.
Mais dans une étude publiée cette semaine dans Natureles chimistes de Princeton du Muir Lab et du MacMillan Lab ont utilisé deux technologies de chapiteau pour faire briller une lumière là où ils le voulaient.
Au cours de ce processus, ils ont découvert des changements critiques et inattendus dans les interactions entourant un complexe ADN-protéine appelé chromatine – essentiellement une architecture qui permet le compactage de l’ADN – en présence de mutations génétiques largement associées au cancer.
Les interactions entre les biomolécules contrôlent toutes les fonctions biologiques. La cartographie de leur activité conduit à une meilleure compréhension du destin cellulaire. Les chercheurs ont donc associé les forces de µMap, le système de marquage de proximité du MacMillan Lab introduit il y a trois ans, avec le trans-épissage de protéines nucléo, une technologie d’ingénierie des protéines introduite en 2016 et optimisé depuis par le Muir Lab.
« Le but de µMap est de comprendre la biologie, au sens large, d’une manière que vous ne pouviez pas auparavant, car µMap vous donne des informations incroyablement précises. Cette recherche est un exemple de faire précisément cela », a déclaré David MacMillan, le James S McDonnell Distinguished University Professor of Chemistry et récipiendaire du prix Nobel de chimie 2021.
« Avec cette recherche, nous avons vu que la biologie se produit à cause de ces mutations », a-t-il déclaré. « C’était impossible de voir ça avant, alors nous roulions dans le noir. C’est un autre élément de tout ce mur, une brique de ce que µMap va pouvoir faire. Ce n’est encore que le début, mais c’est une véritable collaboration. »
La combinaison de ces technologies a permis aux chercheurs d’attacher un photocatalyseur d’iridium à une protéine d’intérêt pour étudier ces interactions minuscules et leur évolution en présence de mutations, le tout sans impact sur le microenvironnement complexe du noyau cellulaire.
Le photocatalyseur a mis en évidence un rayon de focalisation d’un seul nucléosome, permettant aux chercheurs de scruter ce microenvironnement avec une spécificité sans précédent.
« Tant de choses en biologie et dans les maladies dépendent de la façon dont la chromatine bouge et change », a déclaré Ciaran Seath, ancien postdoc au MacMillan Lab et co-auteur principal de l’article avec Antony Burton, ancien postdoc au Muir Lab. « Les virus, le vieillissement, les cancers, toutes les choses que nous avons examinées, modifient la façon dont la chromatine peut se déplacer et réagir. Nous avons pensé que si vous pouviez regarder cela, vous pourriez en apprendre davantage sur tous ces différents problèmes de manière modulaire.
« Parfois, vous ne pouvez pas voir ou prédire toutes les autres choses qui sont susceptibles de se produire dans la machine du noyau. Maintenant que nous avons appairé ces outils, nous pouvons mesurer ces conséquences imprévues. C’est comme toucher un point sur une toile d’araignée, » il a dit. « Vous pouvez voir tout bouger. »
Burton a ajouté : « Ce que la synergie de ces technologies vous procure, de manière peu perturbatrice, c’est la possibilité d’installer un petit catalyseur sur une protéine d’intérêt, puis de cartographier ce qui se trouve à proximité. Nous avons pu mettre en lumière les interactions protéiques et les effets complexes en aval. à un niveau de détail très difficile à obtenir avec d’autres méthodes.
« Plus important encore, nous pouvons tracer comment ceux-ci changent en fonction de la mutation ou du traitement médicamenteux, offrant des opportunités d’application académique et industrielle. »
La recherche a été rédigée par Seath, maintenant professeur adjoint de chimie à l’Institut Herbert Wertheim UF Scripps pour l’innovation et la technologie biomédicales à Jupiter, en Floride; Burton, maintenant chercheur principal en biologie chimique chez AstraZeneca à Boston, Massachusetts ; et les scientifiques chevronnés Thomas Muir, le professeur Van Zandt Williams Jr. Class of 1965, et MacMillan.
Faire progresser le domaine de l’épigénétique
La recherche a des implications importantes pour l’épigénétique, la branche de la biologie qui explore les changements dans l’expression des gènes. Au cœur de l’épigénétique se trouvent les protéines histones, qui conditionnent l’ADN et restreignent l’accès au génome, jouant ainsi un rôle clé dans la régulation de la transcription.
Récemment, des mutations de ces protéines histones ont été découvertes et liées à un large éventail de cancers.
« L’une des choses que nous avons examinées était d’ajouter une mutation qui se produit dans une histone liée au cancer », a déclaré Muir. « Ce que nous voulions savoir, c’est ce qui se passe lorsque cette mutation est présente ; qu’est-ce qui ne peut plus être recruté, qu’est-ce qui n’est plus dans le quartier, quelles nouvelles choses sont apportées qui ne devraient normalement pas être là ?
« Nous avons pu utiliser ces technologies pour trouver toutes sortes de choses qui changent lorsque nous mettons cette mutation sur la chromatine, des choses liées à la régulation des gènes », a-t-il ajouté. « Nous avons pu déduire des informations mécanistes liées à la manière dont les gènes sont mal régulés avec une mutation. »
Commençant leurs recherches il y a trois ans, l’équipe a émis l’hypothèse que la mutation associée au cancer précipite une sorte de perte de fonction. Les biomolécules trouvent la chromatine et se lient avec elle pour laisser une marque transcriptionnelle. Les chercheurs pensaient que la mutation bloquait une partie de cette action, entraînant ainsi un dysfonctionnement cellulaire.
Leur hypothèse a été confirmée par cette recherche, qui a généré des détails moléculaires sur la façon dont un petit changement dans le génome peut avoir des impacts majeurs.
Plus d’information:
Ciaran P. Seath et al, Suivi des changements d’état de la chromatine à l’aide d’un étiquetage de photo-proximité à l’échelle nanométrique, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-05914-y