Le toucher joue un rôle fondamental dans notre bien-être physique, émotionnel et social. Du moyen principal de transmission des émotions à l’intégration sensorielle, il est crucial pour le développement complexe des capacités cognitives, émotionnelles, sociales et comportementales, en particulier au cours du développement précoce des nourrissons et des enfants. Le toucher nous permet d’établir des liens avec les autres, soulage la douleur et le stress et nous aide à comprendre le monde qui nous entoure en fournissant des informations cruciales telles que la texture, la température et la forme des objets.
Lors de la détection d’un stimuli, par exemple lorsque le corps est touché, les signaux mécaniques sont transformés en réponses biologiques qui nous aident à nous adapter à des environnements en constante évolution. Cette transformation implique une variété de processus intracellulaires et moléculaires à l’intérieur des cellules qui nous permettent de percevoir et de répondre aux stimuli tactiles, convertissant efficacement les stimuli physiques en activité électrique.
La capacité des cellules à détecter et à transmettre des forces mécaniques dépend de l’assemblage correct, de la localisation et des propriétés mécaniques des complexes protéiques dans la voie de transmission de force. Souvent, les grands complexes protéiques macromoléculaires forment des condensats liquides dans un processus semblable à la séparation de phases.
De tels condensats biomoléculaires se trouvent dans de nombreuses cellules eucaryotes, sinon toutes, et jouent un rôle essentiel dans divers processus physiologiques et pathologiques, constituant une cible clinique prometteuse. En raison de la nature liquide de ces condensats biomoléculaires, leur rôle dans la mécanotransduction, c’est-à-dire dans tout mécanisme par lequel les cellules convertissent un stimulus mécanique en activité électrochimique, n’est pas clair.
Bien que des études aient montré que leurs propriétés matérielles peuvent passer de liquide à solide au fil du temps, une question reste en suspens : ces condensats, aux propriétés matérielles différentes, peuvent-ils avoir des fonctions biologiques différentes ?
Examen des condensats de protéines MEC-2 dans les neurones récepteurs du toucher
Pour répondre à la question, les chercheurs de l’ICFO Neus Sanfeliu, Frederic Català, Iris Ruider, Montserrat Porta et Stefan Wieser, dirigés par le professeur Michael Krieg, en collaboration avec les chercheurs de l’IRB Barcelone Borja Mateos, Carla Garcia, Maria Ribera et Adrià Canals, dirigés par l’ICREA. Professeur Xavier Salvatella, publié une étude dans Biologie cellulaire naturelle identifier le mécanisme par lequel des condensats de protéines spécifiques passent de l’état liquide à l’état solide, permettant la stabilité et la transmission des forces mécaniques.
L’étude s’est concentrée sur le membre protéique MEC-2 de la famille Stomatine, essentiel à la mécanique membranaire et à la modulation de l’activité des canaux ioniques. Sanfeliu et l’équipe ont découvert que MEC-2 forme également des condensats dans les neurones récepteurs du toucher du ver rond Caenorhabditis elegans, un organisme modèle largement utilisé pour étudier la structure et le fonctionnement du système nerveux.
Les chercheurs ont créé des animaux transgéniques portant une seule copie de la protéine MEC-2 marquée d’un marqueur fluorescent. En combinant l’imagerie de fluorescence au microscope confocal inversé et la technique FRAP, une méthode de microscopie à fluorescence, ils ont identifié deux populations différentes de MEC-2 au sein des neurones récepteurs du toucher : un pool liquide et mobile, proche du corps cellulaire, qui facilite le transport le long de la fine couche. les neurones ; et une population mature de type solide dans les neurites distaux.
Ils ont appliqué des stimuli mécaniques à la paroi corporelle de l’animal à l’aide d’un dispositif hybride microfluidique-pneumatique et ont observé, en combinaison avec la technique de microscopie à fluorescence FRET utilisée pour étudier les interactions moléculaires, que seules les populations matures subissent des forces mécaniques lors du toucher.
Pour analyser en détail les propriétés de ces condensats protéiques, les chercheurs ont reproduit le processus de condensation en tube à essai et réalisé des expériences de résonance magnétique nucléaire, révélant les mécanismes moléculaires qui conduisent à la condensation et régulent les propriétés mécaniques des condensats. De plus, en utilisant une technique appelée microrhéologie optique par pince, ils ont étudié comment les propriétés mécaniques des condensats de protéines purifiées évoluaient au fil du temps.
Le passage de fluide à solide change la fonction des condensats
À l’aide d’un criblage spécifique aux neurones, Sanfeliu et ses collègues ont identifié qu’une autre protéine, UNC-89 de la superfamille Titine, était responsable de la promotion de la maturation de la rigidité des condensats MEC-2 in vivo. Cette transformation structurelle a conduit à un changement dans leur fonction biologique, qui est passée de la facilitation du transport de la protéine à la facilitation de l’intégration et de la conversion des signaux mécaniques au cours de la mécanosensation.
Ces résultats décrivent une nouvelle fonction biologique de la transition de phase liquide à solide des protéines MEC-2. Plus encore, ils attribuent un nouveau rôle, jusqu’alors non identifié, aux protéines UNC-89 dans les neurones.
Compte tenu du rôle important que jouent les condensats biologiques dans divers processus physiologiques et pathologiques, une meilleure compréhension de leurs fonctions pourrait ouvrir de nouvelles possibilités de thérapies et de traitements innovants, tels que ceux visant à comprendre les détails moléculaires à l’origine des transitions de rigidité dans la santé et la maladie.
« Nous sommes vraiment enthousiasmés par le rôle de la maturation des condensats dans la mécanotransduction », commente le professeur Michael Krieg de l’ICFO, « et cherchons des moyens d’étudier comment les défauts de condensation des protéines jouent dans le développement de troubles neurologiques. »
Le professeur ICREA de l’IRB Barcelone Xavier Salvatella déclare : « On sait depuis un certain temps que les changements dans les propriétés matérielles des condensats peuvent être préjudiciables et conduire à des maladies, mais ce travail montre comment ils peuvent également être fonctionnels et être régulés par des protéines. « Cela a été formidable de contribuer à cette découverte et nous sommes impatients de continuer à travailler sur ce sujet avec nos collègues de l’ICFO. »
Cette étude est une indication des efforts de collaboration fructueux déployés par les deux groupes de recherche pour obtenir ces résultats. Comme le conclut Krieg, « Nous sommes impatients de continuer à collaborer avec le groupe de recherche de Salvatella à l’IRB Barcelone dans l’espoir de trouver de nouveaux résultats étonnants qui peuvent nous aider davantage à comprendre les propriétés mécaniques des cellules au niveau moléculaire et systémique, pour résoudre les problèmes de santé et de maladie. »
Plus d’information:
Sanfeliu-Cerdán, N. et al. Une transition de phase liquide-solide de condensat MEC-2/stomatine contrôle la mécanotransduction neuronale lors de la détection tactile, Biologie cellulaire naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41556-023-01247-0 www.nature.com/articles/s41556-023-01247-0