Une protéine clé pour convertir les cellules souches adultes en cellules ressemblant à des cellules souches embryonnaires a été visualisée avec des détails sans précédent par une équipe internationale de chercheurs autour de Hans Schöler et Vlad Cojocaru de l'Institut Max Planck de biomédecine moléculaire à Münster. En combinant des expériences et des simulations informatiques, l'équipe a visualisé comment la protéine Oct4 se lie et ouvre de courts morceaux d'ADN tout en s'enroulant autour de protéines de stockage nucléaire (histones), tout comme dans notre génome. Les résultats ont été publiés dans la revue Nucleic Acids Research le 22 septembre.

Les cellules adultes peuvent être converties en cellules embryonnaires ressemblant à des cellules souches (cellules pluripotentes induites, iPSC) à l'aide d'un cocktail de seulement quatre protéines. Ces dernières années, cette technologie de reprogrammation cellulaire a énormément contribué à la modélisation des maladies, au développement de médicaments et aux thérapies de remplacement cellulaire. Cependant, de nombreuses questions sur les mécanismes moléculaires de cette conversion restent sans réponse. Par exemple, une étape essentielle est l'ouverture de l'ADN dans les cellules à convertir. Chacune de nos cellules contient environ deux mètres d'ADN emballé dans une structure connue sous le nom de chromatine. Dans la chromatine, l'ADN est étroitement enroulé autour des histones dans des unités structurelles répétitives appelées nucléosomes. Alors, comment ces quatre protéines ouvrent-elles l'ADN lorsqu'elles sont exprimées dans des cellules adultes ?

Oct4 :Un régulateur pionnier des cellules souches pluripotentes

Trois des quatre protéines ont été décrites comme étant des facteurs de transcription pionniers, ce qui signifie qu'elles se lient à des séquences spécifiques d'ADN alors qu'elles sont enveloppées dans des nucléosomes et ont la capacité d'ouvrir directement ou indirectement la chromatine. Parmi les trois, Oct4 se démarque car il est essentiel au maintien des cellules souches embryonnaires de différentes espèces et à la reprogrammation des cellules humaines. Oct4 a été découvert à la fin des années 80 par Hans Schöler à peu près en même temps que deux autres laboratoires et est le seul facteur irremplaçable dans le cocktail lauréat du prix Nobel de Shinya Yamanaka pour la reprogrammation des cellules adultes en cellules pluripotentes. Il y a environ 10 ans, Abdenour Soufi et Ken Zaret ont décrit des régions d'ADN conditionné liées par Oct4 dans les premiers stades de la reprogrammation.

Caitlin MacCarthy, postdoc dans le groupe de Hans Schöler et l'un des principaux auteurs de l'étude, a fourni les expériences en laboratoire humide. Réfléchissant à son travail, MacCarthy explique :"Les expériences étaient plus difficiles que prévu. Travailler avec des nucléosomes génomiques ou natifs devient plutôt technique car ils sont très dynamiques, contrairement aux séquences modifiées qui sont plus stables. Pourtant, nous avons pu montrer précisément où Oct4 se lie à eux." Alors que se passe-t-il quand Oct4 lie les nucléosomes ?

Nanoscope computationnel

Pour répondre à cela, Jan Huertas, également auteur principal de l'étude, a fourni les simulations qu'il a effectuées au cours de son doctorat. études au MPI Münster. Lui et Vlad Cojocaru ont utilisé le nanoscope informatique pour visualiser comment Oct4 se lie aux nucléosomes et affecte leur structure. Le terme nanoscope computationnel est utilisé par les chercheurs pour désigner un ensemble de méthodes de simulation informatique qui leur permettent de visualiser les mouvements des molécules au fil du temps.

La précision de ces méthodes est maintenant si élevée qu'on peut imaginer observer les molécules sous un microscope à très haute résolution. Les nucléosomes, comme toutes les structures macromoléculaires de nos cellules, sont dynamiques. Ils bougent, se tordent, respirent, se déroulent et s'enroulent à nouveau. Visualiser ces mouvements dans des expériences est souvent impossible. Huertas explique :"C'est tellement incroyable de pouvoir observer ces grandes structures moléculaires avec tous leurs atomes se déplacer sur l'ordinateur et de savoir que ce que vous voyez est très proche de ce qui se passe réellement."

Oct4 ouvre les nucléosomes

Dans les films en temps réel des complexes Oct4-nucléosomes qu'ils ont générés, chacun montrant 1 à 3 microsecondes de la durée de vie du complexe, Huertas et Cojocaru ont observé comment Oct4 est capable d'ouvrir les nucléosomes. Ils ont décrit en détail atomique les mécanismes de cette ouverture en comparant les mouvements des nucléosomes libres et liés à Oct4.

Fait intéressant, l'ouverture dépendait de la position de la séquence d'ADN reconnue par Oct4 sur le nucléosome et de la mobilité des régions flexibles terminales des histones, appelées queues d'histones.

Vers la compréhension des facteurs pionniers et des conversions du destin cellulaire

Les chercheurs sont enthousiasmés par les implications de leurs travaux et leurs perspectives d'avenir. Cojocaru, aujourd'hui chercheur de premier plan à l'Université Babeş-Bolyai, également titulaire de postes de chercheur principal à l'Université d'Utrecht, et chercheur invité au MPI Münster, déclare :"Nous montrons ici pour la première fois en détail atomique non seulement comment Oct4 se lie à différents nucléosomes, mais aussi comment la liaison d'Oct4 avec les queues d'histone affecte la flexibilité structurelle de ces nucléosomes."

MacCarthy ajoute que "parce que les queues d'histone, comme les facteurs pionniers, sont également des régulateurs clés de l'expression des gènes. Alors que les facteurs pionniers se lient à l'ADN pour ouvrir la chromatine et activer les gènes, les queues d'histone portent des modifications chimiques qui définissent les régions de chromatine ouverte à partir desquelles les gènes peut être exprimé."

Huertas explique en outre que "jusqu'à présent, la manière dont les queues d'histones affectent la capacité des facteurs pionniers à se lier et à ouvrir les nucléosomes était un mystère. Notre travail ouvre la voie à de futures études sur d'autres facteurs pionniers, dont beaucoup sont essentiels aux transformations cellulaires, y compris les conversions du destin cellulaire et le cancer."

Cojocaru dit:"Le mécanisme que nous décrivons ici comble un manque de connaissances dans la compréhension de la façon dont des facteurs comme Oct4 induisent des transitions du destin cellulaire. La compréhension de ces mécanismes fournira éventuellement des moyens d'optimiser et de contrôler ces transitions pour une utilisation réussie dans les thérapies. Et des simulations informatiques seront au cœur de ces futures découvertes." + Explorer plus loin

Des simulations informatiques visualisent comment l'ADN est reconnu pour convertir les cellules en cellules souches