Petits mais puissants, les lysosomes jouent un rôle étonnamment important dans les cellules malgré leur petite taille. Constituant seulement 1 à 3 % de la cellule en volume, ces petits sacs sont les centres de recyclage de la cellule, qui abritent des enzymes qui décomposent les molécules inutiles en petits morceaux qui peuvent ensuite être réassemblés pour en former de nouveaux. Le dysfonctionnement lysosomal peut entraîner diverses maladies neurodégénératives ou autres, mais sans moyens de mieux étudier le contenu interne des lysosomes, les molécules exactes impliquées dans les maladies - et donc les nouveaux médicaments pour les cibler - restent insaisissables.

Une nouvelle méthode, rapportée dans Nature le 21 septembre, permet aux scientifiques de déterminer toutes les molécules présentes dans les lysosomes de n'importe quelle cellule chez la souris. L'étude du contenu de ces centres de recyclage moléculaire pourrait aider les chercheurs à comprendre comment la mauvaise dégradation des matériaux cellulaires conduit à certaines maladies. Dirigée par Monther Abu-Remaileh de l'Université de Stanford, chercheur à l'institut Sarafan ChEM-H, l'équipe de l'étude en a également appris davantage sur la cause d'une maladie neurodégénérative actuellement incurable connue sous le nom de maladie de Batten, des informations qui pourraient conduire à de nouvelles thérapies.

"Les lysosomes sont fascinants à la fois fondamentalement et cliniquement :ils fournissent des nutriments au reste de la cellule, mais nous ne savons pas toujours comment et quand ils les fournissent, et ils sont le lieu où de nombreuses maladies, en particulier celles qui affectent le cerveau, commencent. ", a déclaré Abu-Remaileh, professeur adjoint de génie chimique et de génétique.

Certaines protéines qui sont généralement situées dans les lysosomes sont liées à un certain nombre de maladies. Des mutations dans les instructions génétiques pour la fabrication de ces protéines conduisent à ces "troubles du stockage lysosomal", comme on les appelle collectivement, mais les fonctions de certaines de ces protéines ont longtemps intrigué les scientifiques. Les informations sur le fonctionnement de ces protéines pourraient aider les scientifiques à développer de meilleures méthodes pour diagnostiquer, surveiller ou traiter ces maladies.

Si les scientifiques veulent étudier le rôle que joue une protéine particulière dans la cellule, ils peuvent bloquer ou stimuler sa fonction et voir si certaines molécules apparaissent ou disparaissent en réponse. Mais étudier le contenu des lysosomes est un problème d'échelle. "Si quelque chose se passe et qu'une molécule croît en abondance 200 fois dans le lysosome, vous ne verrez qu'une multiplication par deux si vous regardez la cellule entière", a déclaré Nouf Laqtom, premier auteur de l'étude. Les résultats révélateurs sont enterrés dans le bruit.

Pour calmer le bruit, les chercheurs devraient séparer les lysosomes de tout le reste de la cellule. Ils avaient déjà développé une méthode pour faire exactement cela dans des cellules cultivées en laboratoire, mais ils voulaient développer un moyen de faire la même chose chez la souris.

Pêche aux aimants

La première étape dans leur quête pour isoler les lysosomes consistait à modifier légèrement les gènes des souris pour installer une petite étiquette moléculaire à la surface de chaque lysosome de l'animal entier. À tout moment, lorsqu'ils veulent s'arrêter et vérifier les molécules dans les lysosomes de souris, comme après avoir jeûné ou leur avoir donné un aliment spécifique, ils allument l'étiquette dans les cellules qu'ils veulent examiner, puis retirent le tissu et le broient soigneusement. pour casser les cellules sans perturber les lysosomes à l'intérieur.

Pour pêcher les lysosomes de la boue cellulaire, l'équipe s'appuie sur des aimants. À leur bouillie, ils ajoutent de minuscules billes magnétiques qui sont chacune décorées de pinces moléculaires qui saisissent l'étiquette lysosomale qu'elles avaient précédemment installée. Ils peuvent collecter sélectivement tous les lysosomes à l'aide d'un deuxième aimant, puis briser les lysosomes pour révéler les molécules qui ont été nichées en toute sécurité à l'intérieur. La spectrométrie de masse, un ensemble d'outils qui détermine le poids de différentes molécules dans un mélange, aide ensuite les chercheurs à identifier les individus dans leur pot-pourri moléculaire lysosomal. Ceux qui augmentent ou diminuent orienteraient les scientifiques vers certaines voies ou fonctions.

À l'exception de la petite étiquette supplémentaire sur chaque lysosome, ces souris "LysoTag" sont par ailleurs des souris de laboratoire normales. Désormais, presque tous les chercheurs peuvent utiliser ces souris pour étudier le rôle des lysosomes dans différentes maladies.

"Ces souris sont librement accessibles à tous les membres de la communauté de la recherche, et les gens commencent déjà à les utiliser", a déclaré Abu-Remaileh. "Nous espérons que cela deviendra l'étalon-or."

Savoir où chercher

L'équipe était impatiente d'appliquer leur méthode pour étudier les lysosomes trouvés dans les cellules cérébrales afin de mieux comprendre les maladies neurodégénératives du stockage lysosomal, à commencer par la maladie CLN3 ou la maladie juvénile de Batten. "Nous voyons vraiment cela comme l'un des problèmes les plus urgents que nous puissions aider à résoudre", a déclaré Abu-Remaileh.

Causée par une mutation du gène qui code pour une protéine appelée CLN3, la maladie juvénile de Batten est mortelle et entraîne une perte de vision, des convulsions et une détérioration motrice et mentale progressive chez les enfants et les jeunes adultes. La protéine CLN3 se trouve sur la membrane du lysosome, mais personne n'a jamais déterminé sa fonction dans la cellule ni comment son dysfonctionnement conduit aux symptômes observés.

À l'aide de leurs souris LysoTag, les chercheurs ont collaboré avec des experts du Sarafan ChEM-H Metabolomics Knowledge Center et du Whitehead Institute Metabolomics Core Facility et ont constaté une augmentation spectaculaire de la quantité d'une sorte de molécule appelée glycérophosphodiester, ou GPD en abrégé, dans souris porteuses de la mutation de la maladie CLN3. Ces GPD se forment temporairement lors de la dégradation des molécules grasses qui composent les membranes de chaque cellule de notre corps.

Dans les cellules saines, les GPD ne s'accumulent pas dans le lysosome; ils sont exportés vers une autre partie de la cellule, où ils sont ensuite dégradés en plus petits morceaux. Les chercheurs pensent maintenant que la protéine CLN3 joue un rôle important dans cette exportation, soit en éliminant directement les molécules, soit en aidant une autre protéine à faire ce travail. Ils ont trouvé des molécules de GPD dans le liquide céphalo-rachidien de patients atteints de la maladie CLN3, ce qui suggère que les cliniciens pourraient potentiellement surveiller les niveaux de GPD pour mesurer le succès des futurs traitements. L'équipe détermine maintenant laquelle des molécules GPD pourrait être toxique et comment les protéines impliquées dans la fabrication et l'exportation des GPD pourraient être ciblées avec de nouveaux médicaments. Ils appliquent également leur méthode pour examiner d'autres maladies qui impliquent des mutations dans les gènes lysosomal, comme la maladie de Parkinson.

"Vous ne pouvez pas développer de nouvelles façons de diagnostiquer ou de traiter les maladies si vous ne savez pas ce qui change dans les lysosomes", a déclaré Laqtom, un ancien chercheur postdoctoral du laboratoire Abu-Remaileh. "Cette méthode vous aide à vous assurer que vous regardez dans la bonne direction. Elle vous indique le bon chemin et vous évite de vous perdre." + Explorer plus loin

Les étiquettes moléculaires révèlent comment les lysosomes endommagés sont sélectionnés et marqués pour la clairance