par Centre de recherche CeMM pour la médecine moléculaire de l’Académie autrichienne des sciences
L’observation précise des protéines dans les cellules est extrêmement importante pour de nombreuses branches de la recherche, mais constitue un défi technique important, en particulier dans les cellules vivantes, car le marquage fluorescent requis devait être attaché individuellement à chaque protéine.
Le groupe de recherche dirigé par Stefan Kubicek au CeMM a désormais surmonté cet obstacle : avec une méthode appelée « vpCells », il est possible de marquer plusieurs protéines simultanément, en utilisant cinq couleurs fluorescentes différentes. Cette approche automatisée à haut débit, aidée par la reconnaissance d’images assistée par l’IA, ouvre la voie à des applications entièrement nouvelles dans diverses disciplines, de la biologie cellulaire fondamentale à la découverte de médicaments. L’étude a été publiée dans la revue Biologie cellulaire naturelle.
Sans protéines, la vie telle que nous la connaissons serait inconcevable. Ils fournissent le cadre structurel des cellules, agissent comme des enzymes pour contrôler le métabolisme et permettent aux cellules de communiquer avec leur environnement en tant que récepteurs membranaires, transporteurs ou molécules de signalisation. Toutes ces fonctions ne peuvent être remplies que si les protéines sont situées au bon endroit dans la cellule. Souvent, même les propriétés d’une protéine changent lorsqu’elle change d’emplacement : le contrôle de sa localisation dans la cellule signifie donc également le contrôle de sa fonction.
Pour comprendre et explorer la fonction des protéines, il est essentiel de déterminer et de suivre avec précision leur emplacement au sein de la cellule. Les protéines font souvent la navette de manière dynamique entre différents organites et compartiments de la cellule. Pour les visualiser au microscope, ils sont souvent liés à un composant protéique fluorescent et brillant. Cependant, cette méthode s’est heurtée à des difficultés techniques : généralement, le composant fluorescent ne pouvait être attaché qu’à une protéine à la fois, et pour marquer plusieurs protéines, les cellules devaient généralement être tuées et fixées.
Croissance d’un pool vpCell. Crédit : (c) Andreas Reicher/Jiri Reinis
La nouvelle méthode présentée par le groupe de Stefan Kubicek, appelée « cellules protéomiques visuelles » (en abrégé vpCells), permet de marquer par fluorescence les protéines de manière à préserver leurs mécanismes de régulation endogènes. Au lieu de marquer une protéine à la fois, vpCells peut fusionner plusieurs protéines simultanément avec une étiquette fluorescente dans une approche dite multiplex.
Un précurseur de cette méthode a déjà été décrit par l’équipe de Kubicek en 2020 pour étudier les enzymes métaboliques. Aujourd’hui, il a été étendu et amélioré de trois manières :
Premièrement, vpCells peut marquer toutes les protéines théoriquement possibles à l’aide de l’outil d’édition de gènes CRISPR/Cas9 pour attacher génétiquement des protéines fluorescentes aux protéines étudiées. Le groupe de Kubicek a créé à cet effet une « bibliothèque » à l’échelle du génome, permettant le marquage fluorescent et l’exploration fonctionnelle systématique de toutes les protéines humaines possibles.
Deuxièmement, les vpCells utilisent non seulement une couleur fluorescente mais un total de cinq couleurs complémentaires. Dans chaque cellule, deux protéines différentes à suivre sont marquées. De plus, un autre marquage de couleur est utilisé pour mieux distinguer les clones individuels. Et deux autres couleurs marquent le noyau et la membrane cellulaire pour mieux délimiter les cellules individuelles.
Troisièmement, cette palette de couleurs permet non seulement de générer des images visuellement attrayantes, mais également de reconnaître et de discriminer optiquement les différentes protéines. Normalement, cela nécessite un séquençage complexe de l’ADN après imagerie pour déterminer quelle protéine est marquée. L’approche vpCells, quant à elle, permet de former un système de reconnaissance d’images assisté par IA pour reconnaître quelle protéine est marquée dans quelle cellule sur la base uniquement d’images de microscopie à fluorescence.
La méthode a déjà démontré son utilité dans deux applications : d’une part, plus de 4 500 lignées cellulaires ont été générées en tant que rapporteurs pour plus de 1 100 protéines. Ces lignées cellulaires ont été utilisées pour entraîner les modèles d’IA et décrire la localisation des protéines dans leur état basal. Toutes les images des protéines marquées individuelles sont disponibles sur la base de données Web accessible au public vpCells.
D’autre part, les cellules rapporteuses vivantes ont été utilisées pour une question de recherche spécifique : l’équipe de Kubicek a examiné l’effet de plus de 1 000 substances à petites molécules sur 61 protéines pertinentes pour les cellules cancéreuses. Les chercheurs ont découvert que 44 des substances testées modifiaient la quantité ou la localisation de protéines individuelles en 6 heures. L’une des substances s’est avérée être un inhibiteur du transport des protéines à partir du noyau cellulaire, qui a un effet similaire à celui d’un médicament cliniquement approuvé pour le myélome multiple, un cancer du système hématopoïétique.
« Ces résultats donnent un premier aperçu de la polyvalence de la méthode vpCells », explique Kubicek. « Nous prévoyons de nombreuses autres applications futures, de la biologie cellulaire fondamentale à la découverte appliquée de médicaments. »
Plus d’information:
Marquage multicolore groupé pour visualiser la dynamique des protéines subcellulaires, Biologie cellulaire naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41556-024-01407-w
Fourni par le Centre de recherche CeMM pour la médecine moléculaire de l’Académie autrichienne des sciences