La capacité d'éradiquer sélectivement des types spécifiques de cellules d'organismes multicellulaires permet aux scientifiques de déchiffrer les fonctions de ces cellules, mais les outils disponibles pour le faire, qu'ils soient chirurgicaux, chimique, ou génétiques, sont imprécis et loin d'être idéaux. Maintenant, Des ingénieurs en protéines et des neurobiologistes de l'UC San Francisco se sont associés pour créer un sabre laser biologique, une protéine modifiée qui peut tuer des cellules spécifiques simplement en les exposant à la lumière.

Ces techniques d'ablation cellulaire ont été particulièrement importantes en neurosciences. Certaines des premières connaissances sur la fonction cérébrale étaient basées sur des observations de patients présentant des lésions spécifiques dans différentes zones du cerveau. Les scientifiques ont ensuite développé des méthodes précises pour imiter de telles « expériences dans la nature, " l'ablation de cellules ou de tissus particuliers afin de disséquer leur fonction normale. Plus récemment, les chercheurs ont utilisé des ablations au laser, toxines génétiquement déclenchées, et même des interrupteurs à base de lumière qui déclenchent une folie meurtrière avec les agents oxydants. Mais ces techniques manquent de précision et créent généralement plus de dégâts, y compris de l'inflammation, qu'il n'est nécessaire.

La nouvelle étude, qui sera publiée au cours de la semaine du 11 septembre, 2017 dans la première édition en ligne de Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS )—indique que la protéine, que les scientifiques ont surnommé « Caspase-LOV, " utilise la lumière pour tirer parti de l'apoptose, une voie naturelle de « suicide cellulaire » par laquelle les cellules peuvent déclencher leur propre mort dans certaines circonstances.

Caspase-LOV, conçu dans le cadre d'expériences menées par l'étudiante diplômée Ashley Smart, est appelé ainsi parce qu'il relie LOV (domaine de détection de tension d'oxygène de lumière), un capteur de lumière moléculaire dérivé de l'avoine, à la caspase-3, la version humaine d'une enzyme essentielle à l'apoptose.

Parce que l'apoptose est un processus biologique fondamental, employé au cours du développement normal pour élaguer les cellules inutiles, et de se débarrasser des défectueux, il est tranchant comme un rasoir et induit une netteté, forme non inflammatoire de mort cellulaire. Lorsque les cellules sont gravement blessées, ils renversent tout leur contenu, mais les cellules apoptotiques rétrécissent et sont absorbées par les cellules voisines ou par les cellules immunitaires - la phase finale de la caspase est une mort cellulaire ordonnée sans aucune inflammation des tissus environnants.

« Les caspases sont comme des experts en démolition, " a déclaré James A. Wells, Doctorat, professeur et chaire de chimie pharmaceutique à l'École de pharmacie de l'UCSF, et co-auteur principal de la nouvelle étude "Ils savent où mettre des explosifs dans un pont pour le faire tomber sans avoir à utiliser une arme nucléaire. L'une des raisons pour lesquelles on utilise des caspases pour tuer est qu'elles le font de manière très propre —contrairement à l'ablation des cellules au laser ou à la chirurgie, ce qui est brouillon et pas précis, cela conduit à un processus d'enlèvement des cadavres que la nature sait gérer, sans aucun dommage collatéral au tissu."

Smart et Wells ont été rejoints dans l'étude par le co-auteur principal Graeme "Grae" Davis, Doctorat, le professeur Albert Bowers et président du département de biochimie et de biophysique de l'UCSF, et membre de l'Institut Kavli de l'UCSF pour les neurosciences fondamentales.

Étant donné que la lumière pénètre facilement dans les embryons de la mouche des fruits Drosophila, les auteurs pensent que Caspase-LOV sera immédiatement utile aux laboratoires, comme celui de Davis, qui étudient cet important organisme modèle, mais ils ont dit que l'outil pourrait aussi éventuellement être utilisé dans d'autres organismes, comme les souris, en utilisant la fibre optique pour éclairer et éliminer précisément les cellules.

Le commutateur de mort cellulaire Caspase-LOV fonctionne simplement et avec élégance. Les scientifiques peuvent décider à l'avance quels types de cellules porteront Caspase-LOV, et également contrôler le moment où la lumière frappe ces cellules pour induire l'apoptose. L'équipe a démontré dans sa nouvelle étude, par exemple, que lorsque la Caspase-LOV a été exprimée dans les motoneurones de la mouche des fruits, ces neurones sont morts lors de l'exposition à la lumière, affectant ainsi la capacité des mouches à se déplacer. De la même manière, l'équipe a pu procéder à l'ablation sélective de cellules spécifiques de la rétine en exposant simplement les yeux composés de la mouche des fruits à la lumière.

Parce que la durée d'exposition à la lumière est directement corrélée à l'étendue de la mort cellulaire, Wells a dit, Caspase-LOV pourrait être un outil puissant pour explorer les mécanismes de la neurodégénérescence, un processus qui se produit sur une longue période de temps dans les maladies humaines telles que la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson.

"Nous sommes excités à ce sujet, " dit Wells, aussi le Harry Wm. et Diana V. Hind professeur émérite de sciences pharmaceutiques à l'UCSF. "Il y a déjà quelques laboratoires qui l'utilisent, et je pense que d'autres suivront maintenant que nous avons publié ces résultats."