Les nouvelles découvertes expliquent un casse-tête de longue date de la cellule

Amélioré par la nature au cours de 100 millions d’années d’évolution, le fluide intelligent fournit un couplage critique qui garantit que la division cellulaire continue de fonctionner correctement.

des savants qui Institut Paul Scherrer Et ETH Zurich Découvrez le mécanisme par lequel les protéines forment de minuscules gouttelettes liquides qui agissent comme un adhésif intelligent dans les cellules. Ces gouttelettes se fixent aux extrémités des microtubules, aidant à positionner correctement le noyau cellulaire pendant la division. Recherche publiée dans Biologie Cellulaire Natureexplique le mystère de longue date de la façon dont les structures de protéines mobiles dans les cellules s’attachent les unes aux autres.

Les liaisons entre les pièces mobiles des machines sont essentielles à leur bon fonctionnement. Qu’elles soient rigides ou flexibles, comme la liaison entre les arbres d’un moteur ou les joints d’une carrosserie, les propriétés des matériaux garantissent la bonne transmission des efforts mécaniques. Cela est particulièrement vrai dans les cellules, où les interactions entre les structures cellulaires en mouvement sont essentielles à de nombreux processus biologiques. Cependant, la façon dont la nature réalise ce couple a longtemps intrigué les scientifiques.

Or, des chercheurs étudiant un couplage important dans la division cellulaire de la levure ont révélé que pour ce faire, les protéines coopèrent pour se condenser en une gouttelette liquide. L’étude était une collaboration entre les équipes de Michel Steinmetz de l’Institut Paul Scherrer PSI et d’Yves Barral de l’ETH Zurich, avec l’aide des groupes d’Eric Dufresne et de Jörg Stelling, tous deux de l’ETH Zurich.

En formant une gouttelette liquide, les protéines atteignent des propriétés matérielles idéales pour assurer la fonction biologique. Cette découverte n’est que le début d’une nouvelle compréhension du rôle que jouent les fluides intelligents dans la cellule, estime Baral, dont le groupe de recherche étudie le processus de division cellulaire chez la levure. « Nous découvrons que les fluides composés de biomolécules peuvent être très complexes et présenter une bien plus grande variété de propriétés que celles auxquelles nous sommes habitués de notre point de vue macroscopique. À cet égard, je pense que nous allons découvrir que ces fluides ont des propriétés fascinantes. » qui ont été sélectionnés par l’évolution sur des centaines de millions d’années.

Microtubules : diagonales de la cellule

L’étude se concentre sur le couplage qui se produit aux extrémités des microtubules – des filaments qui sillonnent le cytoplasme de la cellule et ressemblent de manière troublante à des tentacules extraterrestres. Ces tubes creux, formés à partir du bloc de construction de la tubuline, agissent comme un tube de traction, transportant diverses charges à travers la cellule.

Les microtubules reçoivent l’une de leurs charges utiles les plus importantes lors de la division cellulaire. Chez la levure, ils ont la fonction importante de tirer le noyau, qui contient les chromosomes en division, entre les cellules mère et fille. Pour ce faire, les microtubules doivent se connecter, via une protéine motrice, à un câble d’actine ancré à la membrane cellulaire de la cellule fille émergente. La protéine motrice marche ensuite le long du câble d’actine, tirant le microtubule dans la cellule fille jusqu’à ce que sa précieuse cargaison de matériel génétique atteigne sa destination prévue entre les deux cellules.

Cette conjugaison, qui est essentielle pour la poursuite de la division cellulaire, doit résister à la tension au fur et à mesure que la protéine motrice progresse et permettre au noyau de manœuvrer avec précision. Michel Steinmetz, dont le groupe de recherche au PSI est expert en biologie structurale des microtubules, explique : « Entre les microtubules et la protéine motrice, il doit y avoir de la colle. Sans elle, si le microtubule se casse, on se retrouve avec une cellule fille qui ne contient pas de matériel génétique et ne survivra pas.

Accouplement naturel élastique

Chez la levure, trois protéines, qui forment le cœur du réseau dit Kar9, ornent la pointe du microtubule pour réaliser ce couplage. La façon dont ils obtiennent les propriétés matérielles nécessaires semble être en contradiction avec la compréhension traditionnelle des interactions protéiques.

Une question qui a longtemps intrigué les scientifiques est de savoir comment les trois protéines centrales du réseau Kar9 restent attachées à l’extrémité du microtubule même lorsque des sous-unités de tubuline sont ajoutées ou supprimées : l’équivalent d’un crochet à l’extrémité d’une corde de remorquage restant en place tandis que les segments adjacents de la corde sont insérés. ou le couper. Ici, leur découverte offre une réponse : tout comme une goutte de colle liquide peut s’accrocher au bout d’un crayon, cette protéine « liquide » peut s’accrocher à l’extrémité d’un microtubule alors même qu’il grossit ou rétrécit.

Les chercheurs ont découvert que pour obtenir cette propriété fluide, les trois protéines centrales du réseau Kar9 coopèrent via un réseau d’interactions faibles. Lorsque les protéines interagissent à un certain nombre de points différents, si une interaction échoue, les autres restent et la « colle » continue à se serrer les coudes. Les chercheurs pensent que cela confère la flexibilité nécessaire pour que les microtubules restent attachés à la protéine motrice même sous tension.

Pour parvenir à leur découverte, les chercheurs ont systématiquement étudié les interactions entre les trois composants protéiques du réseau Kar9. Basé sur les connaissances structurelles acquises à Swiss Light Source[{ » attribute= » »>SLS in previous studies, they could mutate the proteins to selectively remove interaction sites and observe the effects in vivo and in vitro.

In solution, the three proteins came together to form distinct droplets, like oil in water. To prove that this was occurring in yeast cells, the researchers investigated the effect of mutations on cell division and the ability of the proteins to track the end of a shrinking microtubule.

“It was fairly straightforward to prove the proteins were interacting to form a liquid condensate in vitro. But it was a huge challenge to provide compelling evidence that this is what was happening in vivo, which took us several years,” explains Steinmetz, who first postulated the idea of a ‘liquid protein glue’ for microtubule-tip binding proteins together with a colleague from the Netherlands in a 2015 review publication.

Not your bog-standard multipurpose glue

Barral is struck by how sophisticated the glue is. “It is not just a glue, but it is a smart glue, which is able to integrate spatial information to form only at the right place.” Within the complex tangle of identical microtubules in the cell cytoplasm, just one microtubule receives the droplet that enables it to attach to the actin cable and pull the genetic information into place. “How nature manages to assemble a complex structure on the end of just one microtubule, and not others, is mindboggling,” he emphasizes.

The researchers believe that the liquid property of the proteins plays an important role in achieving this specificity. In the same way that small oil droplets in a vinaigrette fuse together, they hypothesize that small droplets initially form on many microtubules, which somehow subsequently converge to form one larger droplet on a single microtubule. How exactly this is achieved remains a mystery and is the subject of investigations in the Steinmetz and Barral teams.

Reference: “Multivalency ensures persistence of a +TIP body at specialized microtubule ends” by Sandro M. Meier, Ana-Maria Farcas, Anil Kumar, Mahdiye Ijavi, Robert T. Bill, Jörg Stelling, Eric R. Dufresne, Michel O. Steinmetz and Yves Barral, 19 December 2022, Nature Cell Biology.
DOI: 10.1038/s41556-022-01035-2

The study was funded by the Swiss National Science Foundation