Les « coffres-forts » au sein des cellules germinales offrent plus qu’un simple garde-meuble

Les ARN messagers maternels (ARNm), présents dans le cytoplasme d’un ovule immature, sont essentiels au démarrage du développement. Après la fécondation, ces ARNm sont transmis au zygote, la première cellule nouvellement formée.

Ayant été lus à partir du code génétique de l’ADN maternel, ils servent de modèles uniques pour la production de protéines essentielles au développement précoce jusqu’à ce que les propres gènes du zygote deviennent actifs et prennent le relais.

De nombreux ARNm maternels sont stockés dans des granules de ribonucléoprotéines (RNP), qui sont un type de compartiments sans membrane, ou condensats, dans les œufs et les embryons en développement.

On pense que ces granules préservent l’ARNm dans un état de « pause » jusqu’à ce que les protéines codées soient nécessaires à des processus de développement spécifiques après la fécondation de l’ovule. Ensuite, certains signaux de développement entrent en jeu pour ordonner aux granules RNP de libérer l’ARNm stocké afin que les instructions puissent être traduites en une protéine fonctionnelle.

Un type de granules RNP appelés granules germinaux se trouve dans le germoplasme embryonnaire, une région cytoplasmique qui donne naissance aux cellules germinales, qui deviennent les ovules ou les spermatozoïdes des mouches adultes. Ruth Lehmann, directrice de l’Institut Whitehead, étudie la manière dont les cellules germinales se forment et transmettent leur information génétique à travers les générations. Son laboratoire s’intéresse particulièrement à la compréhension de la manière dont les granules germinaux des embryons localisent et régulent les ARNm maternels.

Aujourd’hui, Lehmann, en collaboration avec l’étudiant diplômé Ruoyu Chen et ses collègues, a découvert que le rôle des granules germinaux chez les mouches à fruits (Drosophila melanogaster) s’étend au-delà de la protection des ARNm maternels.

Leurs conclusions, publié dans le journal Biologie cellulaire naturelle le 4 juillet, démontrent que les granules germinaux jouent également un rôle actif dans la traduction, ou la transformation en protéine, d’un ARNm maternel spécifique, appelé nanos, crucial pour la spécification des cellules germinales et de l’abdomen de l’organisme.

« Traditionnellement, les scientifiques considéraient les granules RNP comme une zone morte pour la traduction », explique Chen. « Mais grâce à l’imagerie haute résolution, nous avons remis en question cette notion et montré que la surface de ces granules est en fait une plateforme pour la traduction de l’ARNm nanométrique. »

Les granules RNP agissent comme des coffres-forts

Au sein d’un embryon en développement, diverses protéines déterminant le destin d’une cellule déterminent si elle deviendra une cellule musculaire, nerveuse ou cutanée dans un corps complètement formé. Nanos, un gène dont la fonction est conservée chez la drosophile et l’homme, guide la production de la protéine Nanos qui ordonne aux cellules de se développer en lignée germinale. Les mutations du gène nanos provoquent la stérilité chez les animaux.

Au cours du développement embryonnaire précoce, la protéine Nanos contribue également à établir le plan corporel de l’embryon de mouche à fruits : elle définit l’extrémité postérieure ou la région abdominale et guide le développement ordonné des tissus sur toute la longueur du corps, de la tête à la queue. Chez les embryons dont la fonction Nanos est altérée, les conséquences sont fatales.

« Lorsque la protéine Nanos ne fonctionne pas correctement, les embryons de mouches à fruits sont très courts », explique Chen. « Cela est dû au fait que l’embryon n’a pas d’abdomen, qui représente en fait la moitié de son corps. La protéine Nanos a également une deuxième fonction qui a été conservée des mouches aux humains. Cette fonction est très locale et ordonne aux cellules contenant beaucoup de protéines Nanos de devenir des cellules germinales. »

Étant donné le rôle vital de Nanos, les embryons doivent conserver les instructions pour sa production jusqu’à ce qu’ils atteignent un stade de développement spécifique, où il est temps de définir la région postérieure. Des travaux antérieurs ont montré que les granules germinaux dans le germoplasme et les cellules germinales peuvent agir comme des voûtes, protégeant l’ARNm de Nanos contre la dégradation ou la traduction prématurée.

Cependant, alors que les instructions d’ARNm pour la construction de la protéine sont distribuées dans tout l’embryon, la protéine Nanos ne se trouve que dans les régions où se trouvent les granules germinaux. L’ARNm n’est pas traduit ailleurs dans l’embryon en raison d’une protéine régulatrice appelée Smaug, du nom du dragon doré représenté dans le roman de JRR Tolkien de 1937 Le Hobbit.

Smaug se lie à un segment non codant pour les protéines de l’ARNm connu sous le nom de région 3′ non traduite (3′ UTR), s’étendant au-delà de la séquence codant pour les protéines, supprimant ainsi efficacement le processus de traduction.

Pour Lehmann, Chen et leurs collègues, cela laisse entrevoir une relation intrigante entre l’ARNm nanos et les granules germinaux. Les granules sont-ils essentiels à la traduction de l’ARNm nanos en une protéine fonctionnelle ? Et si c’est le cas, leur rôle est-il principalement de servir de lieu de sauvegarde pour échapper à la répression de Smaug ou facilitent-ils également activement la traduction de l’ARNm nanos ?

Pour répondre à ces questions, les chercheurs ont combiné l’imagerie haute résolution avec une technique appelée système SunTag pour visualiser directement la traduction de l’ARNm nanos dans les granules germinaux de drosophile au niveau de la molécule unique.

Contrairement au marquage par protéine fluorescente verte, où une seule molécule fluorescente est utilisée, le système SunTag permet aux scientifiques de recruter plusieurs copies de GFP pour un signal amplifié. Tout d’abord, une petite protéine, appelée SunTag, est fusionnée avec la région productrice de protéines de l’ARNm nanos.

Au fur et à mesure que les instructions de l’ARNm sont traduites, les molécules de GFP adhèrent à la protéine SunTag-Nanos nouvellement synthétisée, ce qui produit un signal fluorescent brillant. En superposant ce signal de traduction à des sondes fluorescentes marquant spécifiquement l’ARNm, les chercheurs peuvent alors visualiser et suivre précisément le moment et le lieu où se déroule le processus de traduction.

« Grâce à ce système, nous avons découvert que lorsque l’ARNm nanos est traduit, il dépasse légèrement de la surface des granules comme des serpents qui sortent d’une boîte », explique Chen. « Mais ils ne peuvent pas émerger complètement ; une partie de leur séquence, en particulier leur extrémité arrière, l’UTR 3′, reste cachée à l’intérieur des granules. Lorsque l’ARN n’est pas traduit, comme lors de l’ovogenèse, la pointe s’enroule et est cachée à l’intérieur du granule. »

Grâce à leur technique d’imagerie haute résolution SunTag, Lehmann, Chen et leurs collègues ont directement contribué aux travaux d’autres chercheurs ayant fait des observations similaires : les ARNm en cours de traduction sont dans une configuration étendue, tandis que le 5’UTR s’enroule vers le 3’UTR lorsque les ARNm sont réprimés.

Traduction de l’inversion des nanos

Les chercheurs ont ensuite examiné de plus près la manière dont ces granules aident à initier la traduction, tandis que Smaug est capable d’empêcher les mêmes molécules d’ARNm nanos d’être traduites dans d’autres zones de l’embryon.

Ils ont émis l’hypothèse que la région non traduite (UTR) de l’ARNm nanos, qui reste cachée dans les granules, pourrait jouer un rôle essentiel dans le processus de traduction en localisant les instructions de l’ARNm dans les granules des cellules germinales. Cette localisation, ont-ils supposé, protège l’ARNm des actions inhibitrices de Smaug et facilite la production de protéines Nanos, de sorte que la région postérieure puisse se développer correctement.

Cependant, contrairement à un modèle de protection simple, ils ont découvert que plutôt que d’être épuisé, Smaug est enrichi dans les granules germinaux, ce qui indique que des mécanismes supplémentaires au sein du granule RNP doivent contrecarrer les effets inhibiteurs de Smaug. Pour étudier cette question, les chercheurs se sont tournés vers une autre protéine régulatrice appelée Oskar, qui est connue pour interagir avec Smaug.

Découvert par Lehmann en 1986 et nommé d’après un personnage du roman allemand Le Tambour, le gène Oskar chez la drosophile est connu pour favoriser le développement de la région postérieure. Des recherches ultérieures ont révélé que, lors du développement des ovocytes, Oskar agit comme une protéine d’échafaudage en initiant la formation de granules germinaux dans les cellules germinales et en dirigeant les molécules d’ARNm, y compris les nanos, vers les granules.

Pour mieux comprendre le rôle d’Oskar dans la régulation de la traduction dans les granules germinatifs et son interaction avec Smaug, les chercheurs ont conçu une version modifiée de la protéine Oskar. Cette protéine Oskar altérée a conservé sa capacité à initier la formation de granules germinatifs et à localiser l’ARNm nanos à l’intérieur de ceux-ci. Cependant, Smaug ne se localisait plus dans les granules germinatifs assemblés par cette protéine Oskar altérée.

Les chercheurs ont ensuite étudié si la protéine mutante avait un effet sur la traduction de l’ARNm de nanos. Dans les cellules germinales contenant cette version mutante d’Oskar, les chercheurs ont constaté une réduction significative de la traduction de l’ARNm de nanos.

Ces résultats, combinés, suggèrent qu’Oskar régule la traduction de nanos dans les embryons de mouches à fruits en recrutant Smaug dans les granules et en contrecarrant ensuite sa répression de la traduction.

« Des condensats composés d’ARN et de protéines se trouvent dans le cytoplasme de presque toutes les cellules et sont censés assurer le stockage ou le transport de l’ARNm », explique Lehmann, qui est également professeur de biologie au Massachusetts Institute of Technology.

« Mais nos résultats apportent de nouvelles perspectives sur la biologie des condensats en suggérant que les condensats peuvent également être utilisés pour traduire spécifiquement les ARNm stockés. »

En effet, dans l’ovocyte, les granules germinatifs sont silencieux et ne s’activent que lorsque l’ovule est fécondé.

« Cela suggère qu’il pourrait également y avoir d’autres « interrupteurs marche/arrêt » qui régissent la traduction dans les condensats au cours du développement précoce », ajoute Lehmann. « La manière dont cela est réalisé et la possibilité de concevoir que cela se produise à volonté dans ces granules et dans d’autres sont des questions qui resteront à l’avenir. »