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Paris, 18 février 2003

Les premières images d'un supercomplexe de protéines dans une membrane cellulaire grâce à la microscopie à force atomique

Les protéines, chevilles ouvrières de l'organisme, fonctionnent généralement en coopérant entre elles. Elles s'associent sous forme de complexes protéiques et s'entraident pour remplir leurs fonctions. Si les chercheurs s'étaient jusqu'à ce jour surtout intéressés aux protéines « célibataires », les mariages protéiques restaient quant à eux un mystère.
Le voile vient de se lever sur cet aspect de la biologie grâce à des biophysiciens de l'Institut Curie. L'équipe de Jean-Louis Rigaud, en recourant à la microscopie à force atomique a en effet visualisé pour la première fois le mariage de deux protéines membranaires : des images qui informent sur l'architecture du complexe protéique mais aussi sur son fonctionnement.
Cette technique d'imagerie de pointe devrait bientôt répondre à d'autres questions, notamment sur la signalisation cellulaire, exemple phare de l'interaction entre protéines et dont les dérèglements sont au cœur de la cancérogenèse. Ces travaux sont publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences du 18 février 2003.

L'organisme est constitué d'une multitude d'organites aux fonctions variées. Pour qu'ils trouvent leur place, ils doivent être bien différenciés et surtout isolés. C'est le rôle des membranes. Composées d'une double couche de lipides, elles entourent les cellules et délimitent ainsi leur volume. Mais les membranes ne sont pas de simples clôtures, elles servent aussi de garde-frontière. Et pour cela elles sont aidées par les protéines membranaires. Ce sont en effet ces dernières qui filtrent le passage entre les deux milieux. A ce titre, elles jouent un rôle clé dans la signalisation cellulaire. Une fonction essentielle à la vie cellulaire qui, si elle est altérée, peut avoir de très fâcheuses conséquences pour la cellule, voire pour l'ensemble de l'organisme. C'est en effet l'accumulation de défauts dans plusieurs gènes impliqués dans la transmission des signaux et la surveillance de la machinerie enzymatique qui déclenche le processus de cancérogenèse. Le cancer, une maladie de la transmission des signaux Les cellules ne sont pas des entités isolées : elles communiquent sans cesse avec leur environnement grâce à des récepteurs membranaires où se fixent des messages informatifs venus de l'extérieur (autres cellules, tissus et organes). La réception de ces messages active des protéines à l'intérieur de la cellule qui à leur tour en activent d'autres, et ainsi de suite. Une fois interprétés, ces signaux vont permettre aux cellules de déterminer leur position et leur rôle dans l'organisme. Ils sont indispensables à la prolifération, à la différenciation, à la morphologie et à la mobilité des cellules. Au niveau des organes, ces signaux assurent le maintien harmonieux de la taille et de la fonction des tissus. La moindre défaillance dans ce système peut conduire à la catastrophe : les cellules cancéreuses, même si elles n'assurent plus leur fonction, continuent à proliférer dans l'organisme. Elles font « la sourde oreille » aux ordres venus de l'extérieur, ce qui fait du cancer, entre autres, une maladie de la transmission des signaux. Les premiers traitements "anti-signalisation" (Herceptin®, Iressa® et Glivec®) commencent déjà à voir le jour. Des protéines qui n'aiment pas la solitude Extrêmement nombreuses puisque environ 25 % des génomes séquencés codent pour de telles protéines, les protéines membranaires ne fonctionnent généralement pas de manière isolée mais en s'associant entre elles pour former des supercomplexes protéiques. L'un des plus connus à ce jour est celui assurant la transformation de l'énergie lumineuse en ATP (1) chez des bactéries photosynthétiques, comme Rhodopseudomonas viridis Si les connaissances atomiques des différents constituants de ces membranes sont relativement avancées, très peu d'informations sont en revanche disponibles sur l'organisation et la fonction de ces supercomplexes. Leur étude représentait jusqu'à maintenant un défi pour les biologistes, car avec les méthodes disponibles, ils ne pouvaient principalement observer que des protéines isolées de leur contexte. L'équipe de Jean-Louis Rigaud « Cristallisation bidimensionnelle de protéines membranaires »(2) à l'Institut Curie vient de bouleverser cet état de fait en rendant possible l'observation à haute résolution de membranes biologiques en conditions physiologiques par la microscopie à force atomique (AFM). Une bactérie photosynthétique modèle La photosynthèse réalise la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique utilisable par la cellule. Cette opération a lieu au niveau de membranes spécialisées et nécessite plusieurs protéines membranaires : les complexes collecteurs de lumière, les chaines de transport d'électrons et les ATPases. L'utilisation de bactéries comme modèles d'étude présente de nombreux avantages par rapport aux plantes : obtention rapide de matériel biologique stable et en grande quantité, connaissance des structures atomiques de tous les constituants membranaires. Le fonctionnement et l'organisation de l'ensemble est en revanche inconnu. C'est le cas, en particulier, des “core complexes” où s'effectuent les premières étapes de la photosynthèse et qui sont composés de collecteurs de lumière (LH1) formés de 16 sous-unités entourant un centre réactionnel (RC) formé de 4 sous-unités. L'AFM ou comment « caresser » les protéines La microscopie à force atomique, développée par des physiciens en 1986, permet d'imager la surface d'un échantillon à des résolutions atomiques. Son principe consiste à balayer la surface de l'échantillon avec une pointe dont les déplacements sont repérés par un laser. Ces données permettent ensuite de dresser la carte « topographique » de l'échantillon. L'AFM présente l'énorme avantage de pouvoir analyser des échantillons en solution : un atout majeur pour la biologie. Dès 1995, des protéines membranaires ont pu être observées en AFM, à des résolutions latérales de 6 angströms (10-10m) et verticales de 1 angström. Jusqu'à présent, cette approche concernait essentiellement des protéines purifiées et reconstituées sous forme de cristaux 2D en bicouches lipidiques. Cependant, par sa précision, l'AFM permet de visualiser des protéines individuelles dans une membrane. Toute la difficulté de cette observation réside ensuite dans le fait d'approcher suffisamment la pointe de l'AFM des protéines pour recueillir le maximum d'informations sans les endommager. Un jeu tout en douceur dans lequel l'équipe de Jean-Louis Rigaud excelle. Récemment les chercheurs de l'Institut Curie ont observé le « relief » de protéines membranaires isolées sans qu'elles aient été cristallisées auparavant. Ils ont ainsi pu étudier les changements de conformation liés à la perte de seulement 20 acides aminés d'une protéine avec une précision moléculaire (de l'ordre de 10 angströms). L'équipe de Jean-Louis Rigaud vient de franchir une nouvelle étape en observant dans des membranes natives – c'est-à-dire très proches de leur état naturel – les collaborations entre protéines. Ce sont les premières images sur l'organisation d'un supercomplexe protéique. Les chercheurs de l'Institut Curie ne se contentent pas de regarder, ils modifient le complexe en « arrachant » spécifiquement des sous-unités protéiques grâce à la pointe de l'AFM. L'association de l'imagerie et de cette nanodissection permet d'obtenir une description détaillée du complexe protéique et ainsi de mieux comprendre la coopération entre les deux types de protéines présentes. Outre une meilleure compréhension de la photosynthèse chez les bactéries, ces résultats montrent tout l'intérêt de l'AFM pour observer des protéines à l'échelle atomique dans des membranes natives. Grâce à l'AFM, Simon Scheuring, membre de l'équipe de Jean-Louis Rigaud, nous plonge dans l'intimité des protéines en les observant en complexe, in situ et dans des conditions physiologiques. Les chercheurs de l'Institut Curie s'intéressent dorénavant à des associations de protéines membranaires plus complexes. C'est grâce à la combinaison de la microscopie à haute résolution comme l'AFM, de la microscopie électronique – depuis des échelles atomiques obtenues par cristallographie jusqu'à des échelles cellulaires –, et de la microscopie optique que les cellules livreront progressivement leurs secrets.

Notes :

(1)ATP : molécule transportant l'énergie dans les cellules.
(2) Unité Mixte de Recherche 168 CNRS/Institut Curie « Physicochimie Curie» dirigée par Jean-François Joanny.

Références :

Nanodissection and high-resolution imaging of the Rps. Viridis photosynthetic core-complex in native membrane by AFM.
Simon Scheuring (1), Jérôme Seguin (2), Sergio Marco (1), Daniel Lévy (1), Bruno Robert (2) et Jean-Louis Rigaud (1)
Proceedings of the National Academy of Sciences (www.pnas.org), vol.100, pp.1690-93, 18 fév. 2003.

(1) UMR 168 « Physicochimie Curie » CNRS et LRC-CEA/Institut Curie
(2) Service de Biophysique des fonctions membranaires, Département de Biologie Joliot-Curie, CEA, URA 2096

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