Lorsque les cellules remplissent leurs fonctions quotidiennes, elles activent une variété de gènes et de voies cellulaires. Les ingénieurs du MIT ont maintenant persuadé les cellules d’inscrire l’histoire de ces événements dans une longue chaîne protéique qui peut être imagée à l’aide d’un microscope optique.
Les cellules programmées pour produire ces chaînes ajoutent continuellement des blocs de construction qui codent des événements cellulaires particuliers. Plus tard, les chaînes protéiques ordonnées peuvent être marquées avec des molécules fluorescentes et lues au microscope, permettant aux chercheurs de reconstituer le moment des événements.
Cette technique pourrait aider à faire la lumière sur les étapes qui sous-tendent des processus tels que la formation de la mémoire, la réponse au traitement médicamenteux et l’expression des gènes.
« Il y a beaucoup de changements qui se produisent à l’échelle des organes ou du corps, au fil des heures ou des semaines, qui ne peuvent pas être suivis dans le temps », explique Edward Boyden, professeur Y. Eva Tan en neurotechnologie, professeur de génie biologique et cerveau et cognitif. sciences au MIT, chercheur au Howard Hughes Medical Institute et membre du McGovern Institute for Brain Research et du Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT.
Si la technique pouvait être étendue pour fonctionner sur de plus longues périodes, elle pourrait également être utilisée pour étudier des processus tels que le vieillissement et la progression de la maladie, selon les chercheurs.
Boyden est l’auteur principal de l’étude, qui paraît aujourd’hui dans Biotechnologie naturelle. Changyang Linghu, ancien boursier postdoctoral J. Douglas Tan à l’Institut McGovern, qui est maintenant professeur adjoint à l’Université du Michigan, est l’auteur principal de l’article.
Histoire cellulaire
Les systèmes biologiques tels que les organes contiennent de nombreux types différents de cellules, qui ont toutes des fonctions distinctes. Une façon d’étudier ces fonctions consiste à imager des protéines, de l’ARN ou d’autres molécules à l’intérieur des cellules, qui fournissent des indications sur ce que font les cellules. Cependant, la plupart des méthodes pour ce faire n’offrent qu’un aperçu d’un seul moment dans le temps ou ne fonctionnent pas bien avec de très grandes populations de cellules.
« Les systèmes biologiques sont souvent composés d’un grand nombre de types de cellules différents. Par exemple, le cerveau humain compte 86 milliards de cellules », explique Linghu. « Pour comprendre ces types de systèmes biologiques, nous devons observer les événements physiologiques au fil du temps dans ces grandes populations de cellules. »
Pour y parvenir, l’équipe de recherche a eu l’idée d’enregistrer les événements cellulaires sous la forme d’une série de sous-unités protéiques ajoutées en continu à une chaîne. Pour créer leurs chaînes, les chercheurs ont utilisé des sous-unités protéiques modifiées, que l’on ne trouve normalement pas dans les cellules vivantes, qui peuvent s’auto-assembler en longs filaments.
Les chercheurs ont conçu un système génétiquement codé dans lequel l’une de ces sous-unités est produite en continu à l’intérieur des cellules, tandis que l’autre n’est générée que lorsqu’un événement spécifique se produit. Chaque sous-unité contient également un peptide très court appelé étiquette d’épitope – dans ce cas, les chercheurs ont choisi des étiquettes appelées HA et V5. Chacune de ces étiquettes peut se lier à un anticorps fluorescent différent, ce qui facilite la visualisation ultérieure des étiquettes et la détermination de la séquence des sous-unités protéiques.
Pour cette étude, les chercheurs ont conditionné la production de la sous-unité contenant le V5 à l’activation d’un gène appelé c-fos, qui est impliqué dans le codage de nouveaux souvenirs. Les sous-unités marquées HA constituent la majeure partie de la chaîne, mais chaque fois que la balise V5 apparaît dans la chaîne, cela signifie que c-fos a été activé pendant cette période.
« Nous espérons utiliser ce type d’auto-assemblage de protéines pour enregistrer l’activité dans chaque cellule », a déclaré Linghu. « Ce n’est pas seulement un instantané dans le temps, mais il enregistre également l’histoire passée, tout comme la façon dont les cernes des arbres peuvent stocker en permanence des informations au fil du temps à mesure que le bois pousse. »
Enregistrement d’événements
Dans cette étude, les chercheurs ont d’abord utilisé leur système pour enregistrer l’activation de c-fos dans les neurones en croissance dans une boîte de laboratoire. Le gène c-fos a été activé par une activation induite chimiquement des neurones, ce qui a entraîné l’ajout de la sous-unité V5 à la chaîne protéique.
Pour déterminer si cette approche pouvait fonctionner dans le cerveau des animaux, les chercheurs ont programmé des cellules cérébrales de souris pour générer des chaînes protéiques qui révéleraient quand les animaux étaient exposés à un médicament particulier. Plus tard, les chercheurs ont pu détecter cette exposition en préservant le tissu et en l’analysant au microscope optique.
Les chercheurs ont conçu leur système pour qu’il soit modulaire, de sorte que différentes étiquettes d’épitopes puissent être échangées ou que différents types d’événements cellulaires puissent être détectés, y compris, en principe, la division cellulaire ou l’activation d’enzymes appelées protéines kinases, qui aident à contrôler de nombreuses voies cellulaires. .
Les chercheurs espèrent également prolonger la période d’enregistrement qu’ils peuvent réaliser. Dans cette étude, ils ont enregistré des événements pendant plusieurs jours avant d’imager le tissu. Il existe un compromis entre la durée d’enregistrement et la résolution temporelle ou la fréquence d’enregistrement des événements, car la longueur de la chaîne protéique est limitée par la taille de la cellule.
« La quantité totale d’informations qu’il pourrait stocker est fixe, mais nous pourrions en principe ralentir ou augmenter la vitesse de croissance de la chaîne », explique Linghu. « Si nous voulons enregistrer plus longtemps, nous pourrions ralentir la synthèse afin qu’elle atteigne la taille de la cellule en moins de deux semaines. De cette façon, nous pourrions enregistrer plus longtemps, mais avec moins de résolution temporelle. »
Les chercheurs travaillent également sur l’ingénierie du système afin qu’il puisse enregistrer plusieurs types d’événements dans la même chaîne, en augmentant le nombre de sous-unités différentes pouvant être incorporées.
Plus d’information:
Enregistrement d’histoires physiologiques cellulaires le long de chaînes protéiques à auto-assemblage optiquement lisibles, Biotechnologie naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41587-022-01586-7
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.