Avec le récepteur nouvellement développé, le vert signifie l'arrêt de certains processus cellulaires. Crédit :IST Autriche
Optogénétique, l'approche consistant à utiliser la lumière pour contrôler les processus clés, a révolutionné la façon dont les chercheurs étudient les voies de signalisation cellulaire, le comportement cellulaire et la fonction de grands tissus interconnectés tels que le cerveau. Cette combinaison très réussie d'optique et de génétique est alimentée par des protéines sensibles à la lumière, dont beaucoup ont été conçus pour se lier les uns aux autres lors d'une stimulation lumineuse. De nouvelles recherches menées par des scientifiques de l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (IST Autriche) élargissent cette boîte à outils de protéines optogénétiques. Dans l'étude du groupe de Harald Janovjak, conduit par la première auteure et doctorante Stephanie Kainrath, et ses collègues du Children's Cancer Research Institute de Vienne, publié aujourd'hui dans Angewandte Chemie , les auteurs démontrent la libération de la liaison lorsqu'ils sont exposés à la lumière verte.
L'application de la lumière comme stimulus a permis aux chercheurs de manipuler le comportement cellulaire dans des espaces définis et en temps réel et a ainsi ouvert des portes à de nouveaux types d'expériences. La méthode a, cependant, a prospéré dans les cas où les parties protéiques sensibles à la lumière, appelés domaines protéiques, répondu à la lumière en se liant les uns aux autres. La liaison active la signalisation. Pour s'assurer que la signalisation reste activée, les cellules, les tissus ou les animaux à l'étude doivent rester à la lumière. Mais l'exposition constante à la lumière comporte des risques :le blanchiment et les effets secondaires toxiques de la lumière sont couramment observés.
Kainrath et ses collègues offrent une solution en redéfinissant des domaines sensibles à la lumière qui libèrent leur interaction en réponse à la lumière. En conséquence, les chercheurs peuvent désormais laisser leur objet d'étude dans l'obscurité pour induire une signalisation, et déplacez-le dans la lumière à un moment précis pour interrompre la signalisation. La première auteure Stéphanie Kainrath explique l'importance de la recherche :« Notre travail a été inspiré par le désir d'imiter des signaux biologiques qui sont toujours allumés, tels que ceux qui entraînent la croissance de certains cancers. Avec notre nouvel outil, nous pouvons également désactiver rapidement ces signaux. Cela permet de nouvelles approches dans les études cellulaires et animales. »
La première auteure et doctorante Stephanie Kainrath teste l'influence de la lumière verte sur des cellules en culture dans des incubateurs avec des LED commerciales Crédit :IST Autriche
L'outil nouvellement conçu est particulièrement polyvalent car il réagit à la lumière dans la partie verte du spectre de la lumière visible. Ceci est possible car les domaines réaffectés, appelés domaines de liaison à la cobalamine (vitamine B12) (CBD), utilisent la vitamine B12 pour leur réponse lumineuse. Ce n'est que récemment que l'on s'est rendu compte que la vitamine B12 n'est pas seulement essentielle au fonctionnement du corps humain, mais qu'elle est également utilisée dans les bactéries comme capteur de lumière. Kainrath et ses collègues démontrent l'utilisation de ces domaines en les liant à une protéine réceptrice des vertébrés appelée récepteur du facteur de croissance des fibroblastes 1 (FGFR1). Normalement, une partie de ces récepteurs atteint l'extérieur de la cellule où il peut capturer les facteurs de croissance des fibroblastes, provoquant la liaison de deux récepteurs l'un à l'autre et l'activation de la signalisation à l'intérieur de la cellule. Les protéines FGFR1 optogénétiques modifiées se lient les unes aux autres dans l'obscurité via les CBD et activent la signalisation. Uniquement au feu vert, la fixation est relâchée et la signalisation s'arrête.
Des expériences sur des embryons de poisson zèbre montrent le potentiel de cette nouvelle approche pour les études animales. Les embryons de poisson zèbre modifiés pour produire le récepteur modifié et maintenus dans l'obscurité présentent les mêmes défauts de développement que les embryons dans lesquels la signalisation est toujours active, une situation qui ressemble à des troubles humains. Par contre, les embryons qui ont pu se développer au feu vert étaient normaux, sans aucun défaut de développement. Pour Martin Distel, co-auteur et chef de groupe au Children's Cancer Research Institute, Vienne, le récepteur est un outil utile pour traiter la dépendance aux oncogènes, le talon d'Achille de certains cancers :« La dissociation des complexes protéiques médiée par le CBD et contrôlée par la lumière verte est un atout utile dans la boîte à outils optogénétique. Pour des applications potentielles dans la recherche sur le cancer, on pourrait penser à la dépendance aux oncogènes. Les FGF peuvent désormais être arrêtés rapidement et de l'extérieur par la lumière pour étudier les conséquences sur le comportement des cellules."
Harald Janovjak et son groupe travaillent dans le nouveau domaine de la physiologie synthétique, qui aborde des problèmes biologiques complexes avec l'approche de "construire pour le comprendre". Stephanie Kainrath a rejoint le programme de doctorat de l'IST Autriche en 2015. Après avoir réussi son examen de qualification en décembre 2016, Stéphanie poursuit maintenant des recherches pour son doctorat dans le groupe de Harald Janovjak.
