La méthode d'imagerie met en évidence le nouveau rôle de la protéine «squelette» cellulaire

La méthode d'imagerie met en évidence le nouveau rôle de la protéine «squelette» cellulaire

Les molécules d'actine aident à contrôler la division des mitochondries, avec des implications pour la maladie

LA JOLLA—Alors que votre squelette aide votre corps à bouger, de fins filaments ressemblant à un squelette dans vos cellules aident également les structures cellulaires à bouger. Maintenant, les chercheurs de Salk ont ​​développé une nouvelle méthode d'imagerie qui leur permet de surveiller un petit sous-ensemble de ces filaments, appelé actine.

"L'actine est la protéine la plus abondante dans la cellule, donc quand vous l'imagez, c'est partout dans la cellule", dit Manoir d'Uri, directeur de l'installation Biophotonics Core de Salk et auteur correspondant de l'article. "Jusqu'à présent, il était très difficile de dire où se trouvaient les molécules d'actine individuelles d'intérêt, car il est difficile de séparer le signal pertinent de tout le bruit de fond."

Grâce à la nouvelle technique d'imagerie, l'équipe de Salk a pu comprendre comment l'actine intervient dans une fonction importante : aider les « centrales électriques » cellulaires connues sous le nom de mitochondries à se diviser en deux. L'ouvrage, paru dans la revue Nature Methods le 10 août 2020, pourrait fournir une meilleure compréhension du dysfonctionnement mitochondrial, qui a été lié au cancer, au vieillissement et aux maladies neurodégénératives.

La fission mitochondriale est le processus par lequel ces structures génératrices d'énergie, ou organites, se divisent et se multiplient dans le cadre de l'entretien cellulaire normal; les organites se divisent non seulement lorsqu'une cellule elle-même se divise, mais également lorsque les cellules sont soumises à un stress élevé ou que les mitochondries sont endommagées. Cependant, la manière exacte dont une mitochondrie se pince en deux mitochondries a été mal comprise, en particulier comment se produit la constriction initiale. Des études ont montré que l'élimination complète de l'actine d'une cellule, parmi de nombreux autres effets, conduit à moins de fission mitochondriale, suggérant un rôle de l'actine dans le processus. Mais la destruction de toute l'actine provoque tellement de défauts cellulaires qu'il est difficile d'étudier le rôle exact de la protéine dans un processus en particulier, expliquent les chercheurs.

Ainsi, Manor et ses collègues ont développé une nouvelle façon d'imager l'actine. Plutôt que de marquer toute l'actine de la cellule par fluorescence, ils ont créé une sonde d'actine ciblée sur la membrane externe des mitochondries. Ce n'est que lorsque l'actine se trouve à moins de 10 nanomètres des mitochondries qu'elle se fixe au capteur, provoquant une augmentation du signal de fluorescence.

Plutôt que de voir de l'actine dispersée au hasard autour de toutes les membranes mitochondriales, comme elles le pourraient s'il n'y avait pas d'interactions discrètes entre l'actine et les organites, l'équipe de Manor a vu des points chauds brillants d'actine. Et quand ils ont regardé de plus près, les points chauds étaient situés aux mêmes endroits où un autre organite appelé le réticulum endoplasmique traverse les mitochondries, précédemment considérées comme des sites de fission. En effet, alors que l'équipe regardait les points chauds d'actine s'allumer et disparaître au fil du temps, ils ont découvert que 97 % des sites de fission mitochondriale avaient de l'actine fluorescente autour d'eux. (Ils spéculent qu'il y avait aussi de l'actine dans les 3% restants des sites de fission, mais que ce n'était pas visible).

"C'est la preuve la plus claire que j'aie jamais vue que l'actine s'accumule sur les sites de fission", déclare Cara Schiavon, co-première auteure de l'article et co-boursière postdoctorale dans les laboratoires d'Uri Manor et du professeur Salk. Gérald Shadel. "C'est beaucoup plus facile à voir que lorsque vous utilisez n'importe quel autre marqueur d'actine."

En modifiant la sonde d'actine pour qu'elle se fixe à la membrane du réticulum endoplasmique plutôt qu'aux mitochondries, les chercheurs ont pu reconstituer l'ordre dans lequel les différents composants rejoignent le processus de fission mitochondriale. Les résultats de l'équipe suggèrent que l'actine se fixe sur les mitochondries avant d'atteindre le réticulum endoplasmique. Cela donne un aperçu important de la façon dont le réticulum endoplasmique et les mitochondries travaillent ensemble pour coordonner la fission mitochondriale.

Dans des expériences supplémentaires décrites dans un manuscrit pré-imprimé disponible sur bioRxiv, L'équipe de Manor rapporte également que la même accumulation d'actine associée au réticulum endoplasmique est observée sur les sites où d'autres organites cellulaires, y compris les endosomes, les lysosomes et les peroxysomes, se divisent. Cela suggère un nouveau rôle large pour un sous-ensemble d'actine dans la dynamique et l'homéostasie des organites (équilibre physiologique).

À l'avenir, l'équipe espère examiner comment les mutations génétiques connues pour modifier la dynamique mitochondriale pourraient également affecter les interactions de l'actine avec les mitochondries. Ils prévoient également d'adapter les sondes d'actine pour visualiser l'actine proche d'autres membranes cellulaires.

"Il s'agit d'un outil universel qui peut désormais être utilisé pour de nombreuses applications différentes", déclare Tong Zhang, spécialiste de la microscopie optique à Salk et co-premier auteur de l'article. "En remplaçant la séquence de ciblage ou le nanocorps, vous pouvez répondre à d'autres questions fondamentales en biologie cellulaire."

« Nous sommes à l'âge d'or de la microscopie, où de nouveaux instruments avec une résolution toujours plus élevée sont toujours inventés ; mais malgré cela, il existe encore des limites majeures à ce que vous pouvez voir », explique Manor. "Je pense que la combinaison de ces microscopes puissants avec de nouvelles méthodes qui sélectionnent exactement ce que vous voulez voir est la prochaine génération d'imagerie."

Les autres chercheurs de l'étude étaient Pauline Wales, Leonardo Andrade, Melissa Wu, Tsung-Chang Sung, Yelena Dayn et Gerald Shadel de Salk; Bing Zhao et Robert Grosse de l'Université de Fribourg ; Andrew Moore de l'Institut médical Howard Hughes; et Jasmine Feng et Omar Quintero de l'Université de Richmond.

Le Waitt Advanced Biophotonics Center (qui abrite l'installation Biophotonics Core de Salk) est financé par la Waitt Foundation et le National Cancer Institute. Les travaux et les chercheurs impliqués ont également été soutenus par le Salk Transgenic Core Facility, les National Institutes of Health, le National Institute of General Medical Sciences, le Human Frontier Science Program, le Center for Integrative Biological Signaling Studies et la University of Richmond School of Arts & Sciences.

DOI: 10.1038/s41592-020-0926-5