Les filaments d’actine sont des fibres protéiques dynamiques dans la cellule, construites à partir de protéines d’actine simple. De nombreuses fonctions cellulaires, y compris le mouvement cellulaire, sont régulées par l’assemblage et le démontage constants des filaments. La phase de désassemblage est initiée par la libération d’un groupe phosphate de l’intérieur du filament, mais les détails de ce processus intriguent les scientifiques depuis des décennies. Des chercheurs de l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire de Dortmund et de l’Institut Max Planck de biophysique de Francfort ont uni leurs forces pour identifier avec précision une région de l’actine qui fonctionne comme une « porte dérobée moléculaire » pour la sortie du phosphate. À l’aide d’une grande variété de techniques, notamment la microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) et les simulations de dynamique moléculaire, les scientifiques ont déterminé le mécanisme de libération du phosphate à partir des filaments d’actine avec des détails moléculaires sans précédent. Ils ont également décrit comment une porte dérobée déformée permet une libération plus rapide du phosphate d’un mutant d’actine lié à la myopathie à némaline, une maladie musculaire grave. L’étude ouvre la porte à des recherches plus approfondies sur le cycle dynamique d’assemblage de l’actine dans les cellules et sur les maladies liées à une organisation défectueuse de l’actine.
La mystérieuse fuite du phosphate
Dans les cellules eucaryotes, les protéines d’actine se réunissent (polymérisent) en filaments qui font partie du réseau de soutien complexe de la cellule, le cytosquelette. Le démontage des vieux filaments est crucial pour le mouvement cellulaire et est régulé par l’hydrolyse de l’ATP – la réaction de l’ATP avec l’eau qui clive un groupe phosphate et génère de l’énergie. Plus précisément, la libération de phosphate du noyau du filament indique à la cellule que le filament d’actine est suffisamment vieux et peut être démantelé en sous-unités d’actine. « Le mécanisme de libération du phosphate par les filaments d’actine est resté énigmatique pendant des décennies », explique Wout Oosterheert, postdoctorant dans le groupe de Stefan Raunser au MPI de Dortmund et premier auteur de la publication.
Les nouveaux résultats s’appuient sur des recherches antérieures du groupe de Raunser sur l’actine qui ont conduit à des publications révolutionnaires en 2015, 2018 et 2022 dans le domaine de l’actine. Dans ce dernier cas, l’équipe Raunser a déterminé les structures cryo-EM à haute résolution des filaments d’actine dans trois états différents : liés à l’ATP, liés à l’ADP en présence du phosphate clivé et liés à l’ADP après la libération du phosphate. Cependant, dans toutes les structures, il n’y avait aucune ouverture ou porte dans l’actine par laquelle le phosphate pourrait s’échapper du filament. « Nous avons donc supposé qu’il devait y avoir une porte dérobée qui s’ouvrirait momentanément pour libérer le phosphate, puis se refermerait rapidement », explique Raunser.
Une approche multidisciplinaire
Les scientifiques du MPI ont désormais abordé le problème sous différents angles. Comme on savait que le phosphate est libéré très rapidement à partir de l’actine à l’extrémité du filament, appelée extrémité barbelée, Raunser et son équipe ont déterminé sa structure par cryo-EM. Et en effet, ce n’est qu’à l’extrémité du filament qu’ils ont trouvé une porte dérobée moléculaire ouverte, ce qui explique la libération très rapide du phosphate. Cependant, on ne savait toujours pas comment le phosphate s’échappait des sous-unités d’actine dans le noyau du filament. C’est là qu’intervient l’expertise du groupe de Gerhard Hummer du MPI de Francfort ; ils ont utilisé les données structurelles de 2022 pour effectuer des simulations de dynamique moléculaire et prédire les voies de sortie potentielles du phosphate du noyau du filament. Ils se sont ensuite associés au groupe de Peter Bieling (MPI Dortmund) pour valider les voies possibles en produisant des mutants d’actine potentiellement perturbateurs de la porte dérobée moléculaire. Ils ont mesuré la vitesse à laquelle ils libèrent le phosphate et ont finalement déterminé les structures cryo-EM à haute résolution des candidats « les plus rapides ».
L’analyse mutationnelle a révélé que le phosphate emprunte la même voie de libération à l’extrémité du filament et dans le noyau du filament. Les structures et les interactions de ces dernières nécessitent cependant des réarrangements supplémentaires qui rendent plus difficile l’ouverture de la porte. Après le clivage du phosphate, la porte dérobée reste majoritairement fermée (en moyenne pendant 100 secondes) avant de s’ouvrir pendant moins d’une seconde pour laisser sortir le phosphate. « Cela explique pourquoi nous n’avons pas constaté d’accord de porte dérobée ouverte dans nos données cryo-EM de 2022 », explique Raunser.
La saga de l’actine… À suivre…
L’un des mutants d’actine analysés, appelé N111S, est lié à la myopathie némaline, une maladie musculaire, et a donc attiré l’attention des scientifiques du MPI : le mutant adopte toujours une porte dérobée ouverte et libère donc du phosphate beaucoup plus rapidement que l’actine sauvage normale. « Nous proposons que cette libération ultrarapide puisse contribuer à la physiopathologie des patients porteurs de cette mutation de l’actine », explique Oosterheert.
Comme prochaine étape potentielle, les scientifiques du MPI souhaitent maintenant découvrir comment la libération de phosphate est contrôlée au sein de la cellule et quel rôle jouent les protéines qui se lient à l’actine. De plus, leurs travaux permettent désormais d’étudier d’autres mutations de l’actine liées à des maladies – une approche qui pourrait à terme contribuer au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques pour ces maladies.
