Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Université du Maryland ont démystifié le processus par lequel les cellules reçoivent leur forme – et tout commence avec une protéine appelée actine.
L’actine est un composant clé du cytosquelette qui fournit une structure aux cellules, tout comme la façon dont nos squelettes soutiennent notre corps. Cependant, contrairement à notre squelette, le cytosquelette d’actine est une structure hautement malléable qui peut rapidement s’assembler et se désassembler en réponse à des signaux biochimiques et biophysiques.
Il est bien connu que l’actine peut former à la fois des structures sphériques en forme de coque 3D qui protègent les cellules de la pression externe et des anneaux 2D qui modifient les fonctions intracellulaires. Mais chaque fois que les chercheurs ont essayé de recréer ces structures en dehors de la cellule, ils se sont presque toujours retrouvés avec des amas d’actine. Personne ne savait pourquoi, jusqu’à maintenant.
Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques pour montrer que l’actine et sa protéine partenaire, la myosine, s’engagent dans un bras de fer, la myosine essayant de piéger l’actine dans des amas locaux et l’actine tentant de fuir. Si l’actine gagne, les filaments d’actine échappent à la force de traction de la myosine et forment spontanément des anneaux et des coquilles sphériques. Si la myosine gagne, le réseau d’actine s’effondre et forme des amas denses.
« Les anneaux d’actine et les coquilles sphériques sont omniprésents dans presque tous les types de cellules à travers les espèces. Nous pensons que la compréhension du mécanisme derrière la formation de ces structures ouvre la porte à la façon dont les cellules détectent et réagissent à leur environnement », a déclaré Garegin Papoian, co-auteur. de l’étude et professeur UMD Monroe Martin au Département de chimie et de biochimie et à l’Institut des sciences physiques et de la technologie (IPST).
Leurs conclusions, publiées le 21 octobre 2022, dans la revue eVie, pourraient avoir des implications importantes pour la santé humaine. Parce que les anneaux d’actine sont au cœur de la capacité de notre corps à combattre les cellules étrangères – avec des défauts pouvant entraîner une altération de l’immunité ou des troubles auto-immuns – les résultats de cette étude pourraient aider au développement de futurs médicaments.
Les monomères d’actine peuvent être considérés comme des wagons de chemin de fer, qui se lient pour former un filament d’actine semblable à un train. Ces trains d’actine se déplacent à travers la cellule en raison d’un processus appelé tapis roulant. Les moteurs de la myosine sont également en jeu, qui tirent les uns vers les autres des trains orientés de manière opposée. Papoian, Qin Ni (Ph.D. ’21, génie chimique) et Ph.D. en biophysique. L’étudiant Haoran Ni croyait qu’une compétition entre la force de traction de la myosine et le taux de tapis roulant était responsable de la formation d’anneaux d’actine.
Il n’est pas possible d’affiner ces paramètres dans des cellules vivantes. Les chercheurs se sont donc tournés vers un logiciel de simulation appelé MEDYAN, développé par le Papoian Lab. MEDYAN utilise des règles de physique et de chimie pour simuler la dynamique des protéines du cytosquelette. Ils ont simulé un réseau d’actine et de myosine (collectivement appelés actomyosine) dans un disque mince et une coque sphérique.
Ils ont constaté que si les trains d’actine se déplacent lentement, la force de traction de la myosine provoque des embouteillages, qui sont les clusters d’actomyosine qui ont été observés dans des réseaux reconstitués à l’extérieur des cellules. D’autre part, si les trains d’actine se déplacent rapidement, ils peuvent échapper à l’attraction de la myosine. Une fois qu’ils atteignent la limite du disque, la force de traction de la myosine fait tourner les trains d’actine, empêchant une collision frontale avec le bord du disque. L’apparition répétée de ces événements entraîne le déplacement de tous les trains en cercle le long du périmètre du disque, qui forme l’anneau d’actine.
Une analyse plus approfondie propose une théorie thermodynamique pour expliquer pourquoi les cellules forment des anneaux et des coquilles. Selon les lois de la physique, les systèmes privilégient la configuration de plus basse énergie. Les protéines de myosine génèrent beaucoup d’énergie mécanique en pliant les filaments d’actine, qui ne peuvent être libérés que si l’actine peut s’enfuir et se détendre. Dans les cellules vivantes, la capacité de l’actine à se déplacer assez rapidement pour échapper à la myosine et courir jusqu’au bord permet à cette énergie accumulée d’être libérée, permettant la formation d’anneaux ou de coquilles, ce qui, d’un point de vue thermodynamique, est la configuration d’énergie la plus basse.
« La raison pour laquelle les anneaux n’étaient pas vus auparavant à l’extérieur de la cellule est que l’actine ne se déplaçait tout simplement pas assez vite », a déclaré Papoian. « Myosin gagnait 10 fois sur 10. »
En collaboration avec Arpita Upadhyaya, professeur de physique à l’UMD avec une nomination conjointe à l’IPST, et l’étudiant diplômé en physique Kaustubh Wagh, l’étudiant diplômé en sciences biologiques Aashli Pathni et l’étudiant diplômé en biophysique Vishavdeep Vashisht, l’équipe a entrepris de tester ce modèle dans des cellules vivantes en transformant leur attention aux cellules T, où les anneaux se forment naturellement.
Les lymphocytes T sont les cellules de notre corps qui chassent les cellules étrangères. Lorsqu’ils reconnaissent une cellule comme étrangère et deviennent activés, le cytosquelette des lymphocytes T se réorganise rapidement pour former un anneau d’actine à l’interface cellule-cellule. En commençant par des cellules qui avaient formé des anneaux, les chercheurs ont étudié l’effet de la perturbation de l’actine et de la myosine à l’aide de l’imagerie à haute résolution des cellules vivantes.
La réduction de la vitesse du train d’actine a entraîné la dissolution de l’anneau en petits amas, tandis que l’augmentation de la force de traction de la myosine a entraîné une contraction rapide de l’anneau, en accord remarquable avec les simulations associées.
Dans le cadre du suivi de cette étude, l’équipe prévoit d’ajouter plus de complexité au modèle et d’inclure d’autres composants et organites du cytosquelette.
« Nous avons été en mesure de capturer un aspect fondamental de l’organisation du cytosquelette », a déclaré Papoian. « Pièce par pièce, nous prévoyons de construire un modèle informatique d’une cellule complète en utilisant les principes fondamentaux de la physique et de la chimie. »
Plus d’information:
Qin Ni et al, Un bras de fer entre le tapis roulant à filament et la contractilité induite par la myosine génère un anneau d’actine, eVie (2022). DOI : 10.7554/eLife.82658