Aujourd’hui, la plupart des méthodes pour déterminer les protéines à l’intérieur d’une cellule reposent sur un recensement brut – les scientifiques broient généralement un grand groupe de cellules avant de caractériser leur matériel génétique. Mais tout comme une population de 100 personnes célibataires diffère à bien des égards d’une population de 20 ménages de cinq personnes, ce type de description ne parvient pas à capturer des informations sur la façon dont les protéines interagissent et s’agglutinent en groupes fonctionnels.
Aujourd’hui, des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’Université de Chicago ont développé une approche qui leur permet d’étudier plus facilement si les protéines sont situées à proximité les unes des autres à l’intérieur d’une cellule. La technologie, qui peut être réalisée en même temps qu’un séquençage de gènes plus courant, est décrite dans la revue Méthodes naturelles.
« Il s’agit d’une manière simplifiée et à haut débit d’examiner les fonctions des protéines à l’intérieur des cellules individuelles », a déclaré Savas Tay, professeur de génie moléculaire et auteur principal du nouveau travail. « Je pense que cette méthode va être une ressource majeure pour la communauté de la biologie moléculaire. »
Axé sur la fonction
Ces dernières années, avec l’avènement des technologies de séquençage génétique rapides et bon marché, les scientifiques se sont tournés vers le séquençage d’ARNm unicellulaire pour obtenir des instantanés des états internes des cellules. En séquençant toutes les molécules d’ARNm d’une cellule, qui codent pour les protéines, ils peuvent avoir une idée des protéines qu’une cellule pourrait utiliser activement. Mais ce type de proxy pour l’abondance de protéines ne raconte pas toute l’histoire.
« Le simple fait de connaître l’abondance de certaines protéines ne vous donne pas toujours des informations sur le fonctionnement d’une cellule », a déclaré Tay. « Souvent, le fait que les protéines soient fonctionnellement actives ou non dépend non seulement de leur présence, mais aussi de la formation de complexes. »
Tay voulait déterminer si les protéines étaient physiquement proches les unes des autres, et le faire de manière rapide et à haut débit, et non en s’appuyant sur la microscopie pour visualiser leurs emplacements ou en isolant quelques protéines à la fois pour une inspection plus approfondie.
Lui et ses collègues ont développé des sondes moléculaires qui se fixent aux protéines d’intérêt et ont des étiquettes d’ADN s’étendant vers l’extérieur. Si deux protéines sont physiquement proches l’une de l’autre, ces sondes d’ADN se collent comme du Velcro. Les chercheurs peuvent mettre en place des expériences qui sondent simultanément des centaines de protéines de cette manière. Ensuite, ils utilisent des méthodes de séquençage de routine pour relire toutes les sondes d’ADN qui se sont liées les unes aux autres et déterminer quelles protéines ont été appariées.
« Dans le vaste espace à l’intérieur d’une cellule, il est très peu probable que deux sondes se trouvent à moins qu’elles ne soient liées à des protéines proches », a déclaré Tay. « Ainsi, lorsque les sondes se lient, cela nous indique que ces protéines sont très proches les unes des autres. »
Étant donné que l’approche, baptisée Prox-seq, utilise le séquençage standard, les chercheurs peuvent analyser l’ARNm d’une cellule en même temps que les protéines d’intérêt, pour aider à répondre aux questions sur la corrélation entre l’ARNm et l’abondance et la fonction des protéines.
Études de preuve de concept
Pour illustrer l’utilité de Prox-seq, l’équipe de Tay l’a d’abord testé sur des cellules B et des cellules T, deux sous-ensembles de cellules immunitaires humaines. La technique, ont-ils découvert, pouvait différencier les cellules uniquement en fonction des interactions protéine-protéine présentes dans chaque type de cellule. Il pourrait également recenser les sous-ensembles précédemment inconnus des cellules basées sur de petites différences dans la façon dont des groupes de protéines ont été organisés dans les cellules. À l’aide de cellules mononucléaires de sang périphérique d’origine humaine, ils ont simultanément mesuré 38 protéines individuelles, 741 complexes protéiques et des milliers d’ARNm sur chaque cellule individuelle, et découvert un nouveau complexe protéique qui définit les cellules T naïves.
Ensuite, le groupe a utilisé Prox-seq pour étudier comment les protéines changent d’arrangement dans les macrophages, un autre type de cellule immunitaire, lorsque les cellules s’activent en réponse à un agent pathogène. Une fois de plus, ils ont identifié à la fois des paires connues de protéines en interaction ainsi que de nouveaux groupes de protéines qui peuvent être utilisés pour déterminer non seulement si un macrophage a été activé, mais également à quel type d’agent pathogène il a été exposé.
« Cela a montré que non seulement notre méthode peut vérifier les complexes protéine-protéine que nous connaissions déjà, mais qu’elle peut trouver de nouvelles interactions entre les protéines », a déclaré Tay.
Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont testé la méthode que sur des protéines présentes à la surface des cellules ; ils travaillent maintenant à l’étendre à d’autres types de protéines tout en développant des moyens de déterminer exactement où les protéines interagissent dans une cellule.
Plus d’information:
Luke Vistain et al, Quantification des protéines extracellulaires, des complexes protéiques et des ARNm dans des cellules individuelles par séquençage de proximité, Méthodes naturelles (2022). DOI : 10.1038/s41592-022-01684-z