Dans le paysage moléculaire complexe de la cellule, la coordination des protéines nécessite un contrôle précis pour éviter les maladies. Si certaines protéines doivent être synthétisées à des moments précis, d’autres nécessitent qu’elles soient décomposées et recyclées au moment opportun. La dégradation des protéines est un processus essentiel qui affecte les activités cellulaires telles que le cycle cellulaire, la mort cellulaire ou la réponse immunitaire. Au cœur de ce processus se trouve le protéasome, centre de recyclage de la cellule. Le protéasome dégrade les protéines si elles portent une étiquette moléculaire constituée d’une chaîne de molécules d’ubiquitine. La tâche de lier cette étiquette incombe à des enzymes appelées ubiquitine ligases.

Ce processus, appelé polyubiquitination, a longtemps été difficile à étudier en raison de sa nature rapide et complexe. Pour relever ce défi, les scientifiques de l’Institut de recherche en biologie moléculaire (IMP) de Vienne, de l’École de médecine de l’Université de Caroline du Nord et leurs collaborateurs ont utilisé une gamme de techniques, combinant la microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) avec l’état de -les techniques de l’art. Algorithmes d’apprentissage profond. « Notre objectif était de capturer la multiubiquitination étape par étape grâce à des études cryo-EM résolues dans le temps », a déclaré David Hasselback, Ph.D., chef de groupe à l’IMP. « Cette méthode nous a permis de visualiser et de disséquer les interactions moléculaires complexes qui se produisent au cours de ce processus, comme dans un film en stop-motion.»

Intervalle de temps biochimique

L’étude a été publiée dans la revue nature structurale et biologie moléculaire, Plonge dans les mouvements du complexe promoteur anaphase/cyclosome (APC/C), une enzyme ubiquitine qui pilote le cycle cellulaire. Les mécanismes sous-jacents à la liaison de l’APC/C à la signalisation de l’ubiquitine restent un mystère non résolu. Hasselback et Nicholas Brown, Ph.D., professeur agrégé de pharmacologie à l’École de médecine de l’UNC, sont co-auteurs principaux.

Nous avions une solide compréhension de la structure sous-jacente d’APC/C, qui est une condition préalable au cryo-EM résolu dans le temps. « Nous comprenons désormais mieux sa fonction, à chaque étape du processus. »

Tatiana Bodrog, Ph.D., auteur principal, est chercheuse postdoctorale en pharmacologie à l’UNC-Chapel Hill.

Les ligases d’ubiquitine remplissent de nombreuses fonctions, notamment le recrutement de différents substrats, l’interaction avec d’autres enzymes et la formation de différents types de signaux d’ubiquitine. Les scientifiques ont visualisé les interactions entre les protéines liant l’ubiquitine, APC/C, et leurs coenzymes. Ils ont reconstruit les mouvements subis par l’APC/C au cours du processus de multilocalisation en utilisant une forme d’apprentissage profond appelée réseaux de neurones. Il s’agissait du premier du genre dans la recherche sur la dégradation des protéines.

APC/C fait partie d’une grande famille d’ubiquitine ligases (> 600 membres) qui n’a pas encore été décrite de cette manière. Les efforts mondiaux continueront de repousser les limites de ce domaine.

« La clé du succès de notre travail a été la collaboration avec de nombreuses autres équipes », a déclaré Brown, qui est également membre du UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center. « À Princeton, les contributions d’Ellen Chung dans le domaine des logiciels et de la programmation ont été fondamentales pour découvrir de nouvelles connaissances sur le mécanisme APC/C. La validation ultérieure de ces résultats a nécessité l’aide de plusieurs autres groupes dirigés par les Drs Harrison, Stemmel, Han, Emanuel, et Zhang. « L’effort collectif a été crucial pour faire avancer nos recherches jusqu’à la ligne d’arrivée. »

L’importance de cette recherche va au-delà de son impact direct, ouvrant la voie à de futures explorations de la régulation des ligands, promettant à terme des connaissances plus approfondies sur les mécanismes sous-jacents au métabolisme des protéines, importants pour la santé humaine et les maladies, telles que de nombreuses formes de cancer.

• Des scientifiques ont entraîné des méduses à détecter et à éviter les obstacles
• L’étude remet en question les notions antérieures selon lesquelles apprendre de cette manière nécessite un cerveau

En tant que blobs cinglants sans cervelle, beaucoup pourraient supposer que les méduses sont loin des humains.

Mais les scientifiques suggèrent maintenant que ces créatures bancales nous ressemblent davantage que nous ne le pensions au départ, grâce à leur incroyable capacité à apprendre des expériences passées.

Pas plus grosse qu’un ongle, la méduse des Caraïbes possède un système visuel complexe de 24 yeux qui lui permet de reconnaître les obstacles tout en naviguant dans son habitat de mangrove.

Cette découverte historique, révélée par l’Université de Copenhague, remet en question les notions antérieures selon lesquelles le cerveau central est nécessaire aux animaux pour pouvoir traiter des idées complexes.

« C’est incroyable à quelle vitesse ces animaux apprennent ; c’est tout aussi rapide que les animaux avancés », a déclaré le professeur agrégé Anders Jarm.

« Même le système nerveux le plus simple semble être capable d’un apprentissage avancé, et cela pourrait s’avérer être un mécanisme cellulaire très basique inventé à l’aube du système nerveux évolutif. »

Les méduses-boîtes des Caraïbes – ou Tripedalia Cystophora – sont de petites créatures qui prospèrent dans les eaux tropicales chaudes.

Alors que la piqûre de nombreuses espèces de méduses-boîtes est mortelle pour l’homme, le type caribéen ne causera de douleur que pendant quelques jours.

Dans le cadre des dernières recherches publiées dans Biologie actuelleLes experts ont cherché à déterminer si les méduses pouvaient subir un « apprentissage associatif ».

Cela fait référence au processus par lequel les organismes forment des associations mentales et des stimuli sensoriels.

Par exemple, chez les humains, cela peut rappeler que les poêles chauds sont dangereux et douloureux à toucher.

Pour tester cela avec une méduse, les scientifiques ont décoré un aquarium circulaire avec des rayures grises et blanches pour imiter son environnement naturel.

Dans ce cas, les lignes grises imitent les racines de mangroves « lointaines » du point de vue de la méduse.

Au début, les scientifiques ont vu le poisson frapper ces « lignes distales » à plusieurs reprises, mais cela a semblé changer après une période de 7,5 minutes.

À ce moment-là, la distance moyenne entre le poisson et le mur avait augmenté d’environ 50 pour cent et le contact avec le mur avait diminué de moitié.

Les scientifiques pensent que cela est dû aux centres sensoriels visuels de l’espèce, appelés « rhopalia ».

Chacune de ces structures inhabituelles contrôle le mouvement pulsé de la méduse, dont la fréquence augmente lorsqu’elle évite les obstacles.

À la lumière de cela, l’équipe espère maintenant approfondir l’esprit de la méduse et mieux comprendre sa capacité à former des souvenirs.

Le professeur Jarm a ajouté : « Si vous souhaitez comprendre des structures complexes, c’est toujours une bonne idée de commencer aussi simplement que possible. »

« En regardant ces systèmes nerveux relativement simples chez les méduses, nous avons une bien meilleure opportunité de comprendre tous les détails et comment ils s’assemblent pour accomplir des comportements. »

Les premières expériences en laboratoire sur le tabac ont montré que le mécanisme de défense naturel de la plante (réponse immunitaire) pouvait être activé en utilisant la lumière comme stimulus (messager).

En utilisant la lumière comme messager, les chercheurs développent des outils permettant aux plantes de communiquer avec les humains, et aux humains de communiquer avec les plantes.

Si nous pouvons avertir les plantes d’une épidémie imminente de maladie ou d’une attaque de ravageurs, les plantes peuvent alors activer leurs mécanismes de défense naturels pour éviter des dommages généralisés.

Dans la vie humaine quotidienne, la lumière est utilisée pour les communications telles que les feux de circulation et les passages pour piétons.

Le chercheur principal, le Dr Alexander Jones, a déclaré : « Si nous pouvons avertir les plantes d’une épidémie imminente de maladie ou d’une attaque de ravageurs, les plantes peuvent alors activer leurs mécanismes de défense naturels pour éviter des dommages généralisés.

« Nous pouvons également informer les plantes de l’approche d’événements météorologiques extrêmes, tels que des vagues de chaleur ou des sécheresses, leur permettant ainsi d’ajuster leurs modèles de croissance ou d’économiser l’eau.

« Cela peut conduire à des pratiques agricoles plus efficaces et durables et réduire le besoin de produits chimiques. »

Auparavant, des chercheurs de Cambridge avaient conçu une série de biocapteurs – des dispositifs mesurant les réactions biologiques ou chimiques – utilisant la lumière fluorescente pour communiquer visuellement en temps réel ce qui se passe au niveau cellulaire des plantes.

Ces biocapteurs révèlent comment les plantes réagissent aux stress environnementaux, c’est-à-dire comment les plantes communiquent avec les humains.

La nouvelle étude décrit un outil appelé Highlighter, qui utilise des conditions d’éclairage spécifiques pour activer un gène spécifique dans les plantes, par exemple pour stimuler leurs mécanismes de défense – les humains parlant aux plantes.

Bo Larsen, qui a conçu le dispositif Highlighter alors qu’il était au SLCU, a rapproché les scientifiques de cet objectif de communication avec les plantes en concevant un système d’expression génique contrôlé par la lumière (système optogénétique) spécialement conçu pour les plantes.

L’optogénétique est une technique scientifique qui utilise la lumière pour activer ou désactiver un processus spécifique.

« Les stimuli lumineux sont peu coûteux, réversibles, non toxiques et peuvent être délivrés avec une grande précision », a déclaré le Dr Jones.

Selon l’étude, lorsqu’il est déployé dans des plantes, le surligneur utilise des signaux lumineux peu invasifs pour s’activer et se désactiver.

Le Dr Jones a déclaré : « Le surligneur constitue une étape importante dans le développement d’outils optogénétiques chez les plantes et son contrôle génétique de haute précision peut être appliqué pour étudier un large éventail de questions fondamentales en biologie végétale.

« La boîte à outils de culture de plantes, aux propriétés visuelles diverses, ouvre également des opportunités passionnantes pour l’amélioration des cultures.

« Par exemple, à l’avenir, nous pourrions utiliser une condition d’éclairage pour stimuler une réponse immunitaire, puis une condition d’éclairage différente pour chronométrer avec précision un trait particulier, comme la floraison ou la maturité. »

La recherche a été publiée dans la revue Plos Biology.