Depuis plus d'un demi-siècle, des études sur la grenouille africaine à griffes (Xenopus laevis) ont aidé les scientifiques à mieux comprendre les fondements biologiques de la vie, du développement embryonnaire et de la neurobiologie à la génétique et à la maladie. Les titres de gloire de la grenouille incluent la découverte, lauréate du prix Nobel, que le destin des cellules adultes peut être reprogrammé, et il servait autrefois de seul test de grossesse fiable au monde.

Maintenant, les nouvelles technologies permettent aux scientifiques d'en apprendre encore plus sur les processus fondamentaux qui régissent la biologie à partir de ces organismes modèles simples.

Reportage dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , une équipe dirigée par le biologiste des systèmes de la Harvard Medical School, Marc Kirschner, décrit une nouvelle approche pour identifier et mesurer les changements dans des milliers de protéines lorsque les œufs de Xenopus subissent la fécondation.

Leurs recherches révèlent des aspects jusque-là opaques des mécanismes moléculaires impliqués dans la fécondation, y compris des détails sur la façon dont la fécondation déclenche la destruction d'un petit nombre de protéines à faible abondance pour libérer les "freins" du cycle cellulaire d'un ovule, et comment l'ovule libère rapidement de grandes quantités de protéines pour aider à empêcher la fécondation par plusieurs spermatozoïdes.

Les résultats permettent des analyses complètes de la dynamique des protéines dans une cellule dans une fenêtre de temps étroite, les chercheurs ont dit, qui peuvent éclairer les études sur les comportements moléculaires dans un large éventail de systèmes biologiques et aider à faire la lumière sur les changements cellulaires qui entraînent la maladie.

« Nous avons développé une méthode qui nous offre une capacité d'une importance cruciale à quantifier et mesurer les niveaux absolus de protéines et de modifications de protéines dans une dynamique, système complexe, " dit Kirschner, le professeur de biologie des systèmes de l'Université John Franklin Enders et président du département de biologie des systèmes à la Harvard Medical School.

« La méthode devrait être largement utilisée dans de nombreuses études biologiques et biomédicales, " a ajouté Kirschner.

Les œufs de Xénope sont utilisés depuis des décennies pour étudier les événements moléculaires qui se produisent pendant la fécondation, faire la lumière sur le cycle cellulaire, division cellulaire et développement embryonnaire.

Bien que l'on en sache beaucoup grâce à des années d'études, les scientifiques ont encore une compréhension incomplète de nombreux aspects de la fertilisation en raison de limitations techniques, en particulier, une image complète des protéines impliquées, leurs fonctions et ce qui leur arrive au fil du temps.

Numérisation de code-barres

Avec ses collègues Marc Presler et Elizabeth Van Itallie, étudiants diplômés en biologie des systèmes à la Harvard Medical School, et Allon Klein et Steven Gygi, professeurs de biologie des systèmes et de biologie cellulaire à la Harvard Medical School, Kirschner et l'équipe de recherche ont utilisé une technique pour marquer les protéines dans les œufs de Xenopus avec des étiquettes chimiques de type code-barres, permettant aux scientifiques d'analyser des milliers de protéines à la fois en utilisant la spectrométrie de masse.

Associé à une nouvelle méthodologie analytique, cette approche a permis à l'équipe de mesurer les niveaux absolus de protéines dans une cellule et de révéler des détails sur la phosphorylation d'une protéine, l'une des principales modifications chimiques que les cellules utilisent pour réguler l'activité d'une protéine.

Prise de mesures pendant et jusqu'à 20 minutes après la fécondation, les chercheurs ont découvert que les niveaux d'un petit nombre de protéines à faible abondance chutent rapidement.

En quelques minutes, la destruction de ces protéines provoque l'inverse de la phosphorylation d'une gamme beaucoup plus large de protéines dans toute la cellule - un processus qui favorise l'achèvement du cycle cellulaire, y compris la séparation des copies de chromosomes, qui prépare l'œuf pour une croissance ultérieure.

Alors que seulement environ 0,01 pour cent de la masse protéique totale de la cellule était dégradée, l'équipe a découvert que la fécondation déclenche également l'expulsion de 50 fois cette quantité de protéines de la cellule. Principalement stockées dans des compartiments cellulaires près de la membrane, ces ensembles de protéines sont probablement sécrétés pour aider à empêcher la fécondation par plusieurs spermatozoïdes, les chercheurs ont dit.

Cette libération coïncide avec une augmentation substantielle de la phosphorylation pour de nombreuses protéines de signalisation et d'autres qui jouent un rôle dans la génération d'ondes de contraction à la surface de l'œuf immédiatement après la fécondation.

L'œuf sécrète également plusieurs enzymes dégradant les protéines à l'extérieur de la cellule, ce que les chercheurs soupçonnent d'aider à bloquer plusieurs événements de fécondation en détruisant les protéines de liaison aux spermatozoïdes. Dans un constat quelque peu paradoxal, l'équipe a également observé une augmentation des protéines qui inhibent l'activité des enzymes dégradant les protéines. Les raisons, cependant, restent floues et présentent une piste pour de futures études.

« Nous avons pu observer à la fois des caractéristiques nouvelles et connues du cycle cellulaire, mais nous avons aussi pu démêler d'autres événements majeurs se déroulant en parallèle, " a déclaré Presler. " La fécondation se produit par la coordination de milliers de molécules à la fois, et pour la première fois, nous avons l'opportunité de le comprendre à cette échelle."

La nouvelle méthodologie permet de mesurer les niveaux absolus de protéines et de phosphorylation grâce à une combinaison d'approches technologiques et mathématiques. Il représente une amélioration significative par rapport aux analyses de protéines à grande échelle couramment utilisées qui peuvent rendre difficile la prédiction précise des différences fonctionnelles.

En améliorant considérablement les détails et l'échelle auxquels les scientifiques peuvent étudier la composition et les modifications des protéines, même à travers des fenêtres de temps étroites, l'équipe pense que ces techniques peuvent être appliquées à de nombreux systèmes biologiques.

"Pour comprendre et guérir la maladie, nous avons besoin d'une compréhension plus précise de ce qui se passe en temps normal, processus sains, " a déclaré Presler. "Nous avons demandé quelles étaient les différences moléculaires entre un œuf fécondé et non fécondé, mais cette approche est immédiatement applicable pour étudier d'autres questions importantes, telles que les différences entre les cellules qui sont dans des états sains et malades."

"La biochimie des protéines dirige une grande partie de la fonction d'une cellule, et cette méthodologie peut nous donner une image plus complète de la façon dont les cellules font ce qu'elles font, " il a dit.