Un scientifique de Rutgers fait partie d’une équipe internationale qui a déterminé le processus d’incorporation du sélénium – un oligo-élément essentiel présent dans le sol, l’eau et certains aliments qui augmente les effets antioxydants dans le corps – comprend 25 protéines spécialisées, une découverte qui pourrait aider à développer de nouvelles thérapies pour traiter une multitude de maladies allant du cancer au diabète.
La recherche, détaillée dans La science, comprend la description la plus détaillée à ce jour du processus par lequel le sélénium arrive là où il doit être dans les cellules, ce qui est crucial pour de nombreux aspects de la biologie cellulaire et des organismes. Premièrement, le sélénium est encapsulé dans la sélénocystéine (Sec), un acide aminé essentiel. Ensuite, Sec est incorporé dans 25 soi-disant sélénoprotéines, toutes essentielles à une multitude de processus cellulaires et métaboliques.
Comprendre le fonctionnement de ces mécanismes vitaux de manière aussi détaillée est essentiel au développement de nouvelles thérapies médicales, selon des chercheurs dont Paul Copeland, professeur au Département de biochimie et de biologie moléculaire de la Rutgers Robert Wood Johnson Medical School.
« Ce travail a révélé des structures qui n’avaient jamais été vues auparavant, dont certaines sont uniques dans toute la biologie », a déclaré Copeland, auteur de l’étude.
Copeland et l’équipe ont pu visualiser les mécanismes cellulaires à l’aide d’un microscope cryoélectronique spécialisé, qui utilise des faisceaux d’électrons plutôt que de lumière pour former des images tridimensionnelles de formations biologiques complexes à une résolution presque atomique. Le processus utilise des échantillons congelés de complexes moléculaires, puis applique un traitement d’image sophistiqué, utilisant la vaste puissance de calcul d’aujourd’hui pour enchaîner des milliers d’images afin de produire des coupes transversales en trois dimensions et même une animation en stop-motion véhiculant une sensation de mouvement dans les biomolécules. En conséquence, les scientifiques peuvent voir des représentations de la structure complexe des protéines et d’autres biomolécules et même comment ces structures bougent et changent lorsqu’elles fonctionnent comme des « machines » cellulaires.
L’incorporation du sélénium a lieu au plus profond de la machinerie complexe d’une cellule individuelle. Les scientifiques savaient déjà quelles protéines et molécules d’ARN – un acide nucléique présent dans toutes les cellules impliquées dans la production de protéines – permettaient le processus. Cependant, ils n’ont pas été en mesure de discerner l’étape critique de la façon dont ces facteurs fonctionnaient en tandem pour compléter le cycle, dictant la fonction du ribosome de la cellule, une grande machine macromoléculaire qui lie l’ARN pour fabriquer plus de protéines. Ce qu’ils ont découvert, c’est que les processus qui se produisent ne ressemblent à aucun autre qui se déroule ailleurs dans le corps humain.
« Cet acide aminé s’attache à une molécule d’ARN unique et doit être transporté jusqu’au ribosome via un facteur protéique unique », a déclaré Copeland, dont le laboratoire a passé les 20 dernières années à comprendre comment ces biomolécules fonctionnent au niveau biochimique. « Et tout cela a évolué chez l’homme spécifiquement pour permettre au sélénium d’être incorporé dans cette poignée de protéines. »
Une fois que Sec est installé dans les sélénoprotéines, les protéines remplissent un large éventail de fonctions vitales nécessaires à la croissance et au développement. Ils produisent des nucléotides, les éléments constitutifs de l’ADN. Ils décomposent ou stockent les graisses pour produire de l’énergie. Ils créent des membranes cellulaires. Ils produisent l’hormone thyroïdienne, qui contrôle le métabolisme du corps humain. Et ils réagissent à ce qu’on appelle le stress oxydatif en détoxifiant les sous-produits chimiquement réactifs dans les cellules.
Des maladies et des troubles tels que le cancer, les maladies cardiaques, l’infertilité masculine, le diabète et l’hypothyroïdie peuvent survenir lorsque la production de sélénoprotéines est perturbée.
« Comprendre le mécanisme par lequel Sec est incorporé est un élément fondamental du développement de nouvelles thérapies pour une multitude d’états pathologiques », a déclaré Copeland.
Tarek Hilal et al, Structure du ribosome de mammifère lorsqu’il décode le codon UGA de la sélénocystéine, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abg3875