Une poche pleine de molécules d’eau – comment les filaments d’actine entraînent le mouvement de la cellule


Les filaments d’actine sont des fibres protéiques qui constituent le squelette interne de la cellule. En tant qu’éléments actifs de nos cellules, les filaments d’actine soutiennent la fusion et le mouvement de la cellule et sont impliqués dans de nombreux autres processus cellulaires. Surtout, ils sont également un constituant majeur des cellules musculaires. La complexité structurelle de ces filaments fascine les scientifiques depuis sa découverte dans les années 1940 – et a ouvert une mer de questions sans réponse sur leur capacité à faciliter de nombreux processus de la cellule.

Pour la première fois, des chercheurs de l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire de Dortmund, en Allemagne, ont réussi à visualiser des centaines de molécules d’eau dans le filament d’actine, ce qui représente un bond en avant dans la recherche sur l’actine. En utilisant la technique de la cryomicroscopie électronique (cryo-EM), le groupe de Stefan Raunser révèle avec des détails sans précédent comment les protéines d’actine sont arrangées ensemble dans un filament, comment l’ATP – la source d’énergie de la cellule – se trouve dans la poche protéique, et où les molécules d’eau individuelles se positionnent et réagissent avec l’ATP.

« Nous répondons à des questions fondamentales de la vie auxquelles les scientifiques tentent de répondre depuis plusieurs décennies », remarque Raunser. Dans les cellules eucaryotes, les protéines d’actine sont abondantes et ont tendance à se regrouper (polymériser) en filaments. Ces filaments constituent le réseau qui constitue le cytosquelette de la cellule et contrôle divers processus cellulaires par le mouvement. Les cellules immunitaires, par exemple, utilisent des filaments d’actine pour déplacer et chasser les bactéries et les virus. Les chercheurs savaient déjà que la dynamique des filaments est régulée par l’hydrolyse de l’ATP – la réaction de l’ATP avec l’eau qui clive un groupe phosphate et génère de l’énergie. Ce qui restait auparavant sans réponse, cependant, était les détails moléculaires exacts derrière ce processus.

Trop souple, trop grand ? — pas pour cryo-EM

Comme les filaments d’actine sont trop flexibles ou trop gros pour la cristallisation aux rayons X et la résonance magnétique nucléaire, la cryo-EM a été la seule technique viable pour obtenir des images détaillées. En 2015, l’équipe de Raunser a utilisé la cryo-EM pour imaginer un nouveau modèle atomique tridimensionnel des filaments, avec une résolution de 0,37 nanomètre. En 2018, son groupe a décrit les trois états différents que les protéines d’actine acquièrent dans le filament : lié à l’ATP, lié à l’ADP en présence du phosphate clivé, lié à l’ADP après libération du phosphate.

Comment les molécules d’eau se déplacent

Dans leur étude actuelle, Raunser et ses collègues ont pu établir un nouveau record de résolution : ils ont obtenu les trois états d’actine avec une résolution d’environ 0,2 nanomètre, rendant visibles des détails auparavant invisibles. Les cartes tridimensionnelles affichent non seulement toutes les chaînes latérales d’acides aminés des protéines, mais révèlent également où sont placées des centaines de molécules d’eau. Grâce à la comparaison entre ces nouvelles structures et celles de l’actine isolée, ils ont pu déduire comment les molécules d’eau se déplacent. Lors de la polymérisation, les molécules d’eau se déplacent dans la poche d’ATP de telle manière qu’il ne reste qu’une seule molécule d’eau devant l’ATP, prête à attaquer un phosphate et à initier l’hydrolyse. La précision obtenue grâce à cette approche peut aider à poursuivre les recherches dans le domaine : « Notre modèle à haute résolution peut propulser les scientifiques dans la conception de petites molécules pour la recherche en microscopie optique sur les tissus, et finalement dans les applications thérapeutiques », déclare Raunser.

Un ouvre-porte

Les auteurs ont également mis en lumière le devenir final du phosphate. Auparavant, les scientifiques pensaient qu’il y avait une porte dérobée dans la poche d’ATP qui reste ouverte après l’hydrolyse de l’ATP pour faciliter la sortie du phosphate. Cependant, les nouvelles structures cryo-EM ne montrent aucune trace de portes dérobées ouvertes. Par conséquent, le mécanisme de libération reste un mystère. « Nous pensons qu’il y a une porte, mais elle s’ouvre probablement momentanément », commente Raunser, qui veut maintenant utiliser des simulations mathématiques et des méthodes cryo-EM résolues en temps pour démontrer comment le phosphate sort. De toute évidence, ces découvertes passionnantes ont ouvert la porte aux scientifiques pour creuser plus profondément dans l’espoir de découvrir encore plus de détails derrière les processus par lesquels les filaments d’actine contribuent au mouvement de la cellule.

Source de l’histoire :

Matériel fourni par Institut Max Planck de physiologie moléculaire. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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