En utilisant la tomographie cryo-électronique, les chercheurs ont découvert des détails sur la façon dont la protéine motrice de la dynéine fait battre les cils. Comprendre ce mouvement peut aider à résoudre les problèmes de santé qui affectent les cils, qui vont des problèmes de fertilité aux maladies pulmonaires et au COVID-19.
L’extérieur de nombreuses cellules eucaryotes est recouvert d’organites ressemblant à des poils appelés cils. Dans le corps humain, leurs mouvements rythmiques – ou battements – remplissent des fonctions fascinantes. Agitant comme des bras, ils sont chargés de pousser l’œuf le long de l’oviducte. Ils donnent également leur queue au sperme; jouant ainsi un rôle dans la fécondité des femmes et des hommes. Dans la gorge, comme les poils d’un pinceau, ils chassent les virus et la poussière de nos voies respiratoires. Leur dysfonctionnement est lié à divers types de maladies pulmonaires, et en effet le COVID-19 est connu pour cibler les cellules des voies respiratoires possédant des cils. Chez les embryons, le battement des cils aide à établir une asymétrie gauche-droite.
Bien que les chercheurs en sachent beaucoup sur les rôles des cils, on en sait moins sur la façon dont ils battent. Pourtant, comprendre les mécanismes de leur mouvement est important pour comprendre leur fonction et, éventuellement, développer des traitements liés à leur dysfonctionnement. Aujourd’hui, grâce à la tomographie cryoélectronique, des scientifiques de l’Institut Paul Scherrer PSI ont jeté un nouvel éclairage sur leur mouvement.
Les cils ondulent à l’extérieur des cellules des bronches humaines. Comme les poils d’un pinceau, les cils chassent les virus et la poussière de nos voies respiratoires. Le film a été réalisé en microscopie optique. Crédit : Institut Paul Scherrer / Akira Noga et Takashi Ishikawa
Comment bougent les cils ?
Takashi Ishikawa lève le bras, le descend rapidement puis le remonte. « C’est le mouvement métachronal d’un cil », explique-t-il. Les cils n’exécutent pas ce mouvement isolément. Le terme métachrone décrit un type de mouvement séquentiel. Sur une cellule, des centaines de cils battaient tour à tour comme une vague mexicaine. « Nous voulons comprendre ce beau mouvement », explique Ishikawa, dont le groupe de recherche à l’Institut Paul Scherrer PSI étudie la biologie structurelle cellulaire et moléculaire des cils eucaryotes.
Dans une publication récente dans Le journal de l’EMBO, le groupe de recherche décrit le mécanisme du moteur qui entraîne les cils : une protéine appelée dynéine. Le nom vient du mot « dyne » – une unité pour la force.
Les cils consistent en une structure externe de neuf paires de microtubules, de longs tubes semblables à des molécules qui font partie du cytosquelette cellulaire, disposés en cercle. Des centaines de protéines motrices de dynéine les relient. La source d’énergie de la protéine motrice dynéine est la monnaie énergétique universelle de la cellule, l’ATP. Lorsque la dynéine hydrolyse une molécule d’ATP, celle-ci change de forme, entraîne le microtubule sur lequel elle est ancrée et provoque la courbure de la paire de microtubules.
La tomographie cryo-électronique révèle le mouvement de la protéine motrice dynéine
Dans la dernière étude, les chercheurs se sont intéressés à la façon dont la dynéine génère sa force. Pour étudier cela, ils se sont concentrés sur le mouvement détaillé d’une partie de la protéine motrice connue sous le nom de bras de dynéine externe, qui est principalement responsable de la génération de force.
Les chercheurs ont étudié les différentes conformations du bras de dynéine externe pendant le battement des cils en utilisant une technique appelée cryo-tomographie électronique. Il s’agit d’une version de cryo-microscopie électronique dans laquelle les échantillons sont inclinés pour créer des reconstructions d’images 3D.
doctorat L’étudiante et première auteure de l’étude, Noemi Zimmermann, a isolé la partie battante externe des cils, connue sous le nom d’axonème, du corps cellulaire du plancton. C’est la partie qui contient la protéine motrice dynéine. Son mouvement dans le plancton est identique à celui de notre corps. Les chercheurs ont ensuite ajouté de l’ATP pour faire bouger les moteurs. « Étonnamment, lorsque vous ajoutez de l’ATP à des axonèmes isolés, ils battent toujours, tout comme une pièce mécanique », explique Zimmerman.
Ils ont ensuite rapidement congelé les échantillons dans de l’azote liquide. En prenant des millions d’images de microscopie électronique à différents angles d’inclinaison, ils ont pu reconstituer le mouvement du bras de dynéine externe. Semblable aux différentes phases du crawl de nage, la dynéine génère de la force dans une procédure connue sous le nom de cycle de course de puissance.
Les chercheurs ont pu décrire très précisément les conformations du bras de dynéine externe lors des différentes phases de ce mouvement. Ils ont notamment identifié plusieurs conformations intermédiaires jusqu’alors inconnues, qui montrent comment les ancrages de la protéine sur le microtubule se croisent en début de cycle. « Ce fut une surprise, car la plupart des gens ne s’attendaient pas à ce que cela fonctionne », déclare Zimmerman.
Comment les dynéines se parlent-elles ?
Cette recherche ajoute une pièce au puzzle gigantesque qu’est le mouvement complexe des cils. Sur chaque cil, des centaines de protéines motrices de la dynéine doivent travailler ensemble comme des nageurs synchronisés pour coordonner la flexion des microtubules afin que les cils battent.
« S’ils produisent la force au hasard, cela ne se terminera pas par un mouvement orchestré », déclare Ishikawa. Comment les protéines de dynéine interagissent pour réaliser cet exploit est une autre question fascinante à laquelle Ishikawa et son équipe tentent actuellement de répondre.
Plus d’information:
Noemi Zimmermann et al, changement conformationnel induit par l’ATP des bras de dynéine externes axonémiques révélés par la tomographie cryo-électronique, Le journal de l’EMBO (2023). DOI : 10.15252/embj.2022112466