La lissencéphalie-1, ou protéine Lis1, active le moteur de dynéine afin qu'il puisse transporter des cargaisons cellulaires. Le dynein bascule entre "off" (gauche) et "on" (droite). Lis1 se lie à la dynéine lorsqu'elle est allumée, empêchant la dynéine de passer à un état « off ». Crédit :Markus Lab/Université d'État du Colorado
Le mouvement signale la vie, et nulle part cela n'est plus vrai qu'à l'intérieur d'une cellule vivante. Les millions de protéines et de molécules dans chacune de nos cellules se plient, voyager et se conformer à un schéma complexe mais orchestré, régulé par les gènes qui codent ce qui va où et quand. Dans le cadre de ce modèle, une classe importante de protéines appelées transport de dynéine et délivre diverses cargaisons cellulaires entre différentes zones de la cellule.
Le chercheur en biochimie de la Colorado State University Steven Markus est particulièrement intrigué par ces grands, des protéines motrices intracellulaires qui se déplacent méthodiquement le long d'un réseau de pistes filamenteuses appelées microtubules.
Quelle est l'importance de la dynéine ? Si la dynéine disparaissait, nous ne vivrions pas au-delà de quelques divisions cellulaires mitotiques. Et de nombreuses maladies neurologiques, dont une appelée lissencéphalie, sont liés à des défauts de la fonction de la dynéine. L'objectif de nombreux laboratoires, dont Markus, est de comprendre pourquoi.
Son équipe de recherche a fait un bond dans cette compréhension en dévoilant, dans les moindres détails, le mécanisme par lequel une molécule particulière affecte la fonction de la dynéine. Alors que l'on savait depuis longtemps que le gène lissencéphalie-1, ou Lis1, affecte l'activité de la dynéine, les détails n'étaient pas clairs. Markus et son équipe ont révélé exactement comment Lis1 active la dynéine en empêchant la capacité de la dynéine de s'éteindre, en le stabilisant dans un "ouvert, " conformation décomplexée.
La nouvelle découverte va à l'encontre des opinions précédemment acceptées selon lesquelles Lis1 agissait comme un inhibiteur de la dynéine. Selon la nouvelle étude du laboratoire Markus, publié le 27 avril dans Nature Biologie Cellulaire , c'est exactement le contraire :Lis1 active la dynéine, travailler à se caler de manière à empêcher la protéine motrice de se replier dans un état « off » – inhibant sa capacité à s'auto-inhiber, expliquent les chercheurs.
Les chercheurs ont utilisé une combinaison de techniques de pointe pour tirer leurs conclusions, y compris la microscopie électronique à haute résolution. Ils l'ont utilisé pour visualiser le moteur dynéine dans ses états « arrêt » (à gauche) et « on » (à droite). Crédit :Markus Lab/Université d'État du Colorado
Comprendre la base moléculaire de la maladie
Une personne atteinte de lissencéphalie, ou "cerveau lisse, " souffre de convulsions et d'une fonction motrice limitée et vit rarement au-delà de quelques années. Cette maladie dévastatrice est associée à une mutation dans Lis1, un gène qui code pour un régulateur critique de la dynéine.
"Je m'intéresse à la base moléculaire de ces maladies, " dit Markus, professeur adjoint au Département de biochimie et biologie moléculaire. "Il n'y aura pas d'interventions thérapeutiques sans comprendre comment ces molécules fonctionnent." Au-delà de ça, Markus dit, « les moteurs moléculaires sont amusants, parce que nous pouvons purifier ces moteurs et les regarder marcher sur les microtubules en temps réel grâce à la microscopie à fluorescence », ce qui est exactement ce que l'équipe a fait pour leur étude.
Pour mener à bien leurs expériences, les chercheurs ont utilisé des cellules de levure en herbe comme système modèle. Contrairement aux cellules humaines dans lesquelles la dynéine exerce de nombreuses activités, la dynéine ne remplit qu'une seule fonction dans ces cellules. Leurs découvertes avec ce système simplifié peuvent se traduire par des cellules humaines et d'autres cellules eucaryotes supérieures, dans lequel la fonction de base de la dynéine est préservée tout au long de millions d'années d'évolution.
Les chercheurs ont utilisé plusieurs techniques pour tirer leurs conclusions. Le plus important était l'imagerie d'une seule molécule en temps réel. En utilisant une technique à haut rendement qu'ils ont développée en laboratoire, l'équipe a purifié la dynéine, ajouté une molécule fluorescente, et assemblé des chambres d'imagerie au microscope avec des microtubules purifiés pour regarder la dynéine "zipper le long, " a déclaré Markus. Cette technique leur a permis d'établir le rôle de la conformation auto-inhibée dans la motilité de la dynéine.
Ils ont également utilisé la microscopie électronique pour prendre des images fixes à très haute résolution afin de déterminer si les molécules de dynéine ont effectivement adopté une conformation auto-inhibée, ce qui n'était pas clair quand ils ont commencé leur étude. "Le premier jour à l'installation de microscopie électronique, nous avons été très surpris de voir que les molécules de dynéine étaient sans ambiguïté dans une conformation auto-inhibée, " Markus a dit. " Il avait cette forme très distincte. "
L'auteur principal de l'étude était l'ancien étudiant diplômé Matthew Marzo (maintenant chercheur postdoctoral à l'Université Columbia), qui a conçu et dirigé les expériences, avec l'aide de la co-auteure et étudiante de premier cycle Jacqueline Griswold (maintenant doctorante et chercheuse diplômée NSF à la Johns Hopkins School of Medicine).
Markus envisage de mener d'autres expériences, en utilisant les mêmes cellules de levure, pour sonder davantage le rôle de Lis1 dans ce que lui et ses collègues pensent être une voie en plusieurs étapes qui active la dynéine. Il espère également travailler avec des neuroscientifiques du CSU pour déterminer si le mécanisme d'activation de Lis1 fonctionne de la même manière dans les neurones. Là, l'objectif sera de fournir encore plus de connaissances sur la façon dont les maladies du cerveau comme la lissencéphalie se produisent au niveau moléculaire.
L'étude s'intitule :« Pac1/LIS1 stabilise une conformation non inhibée de la dynéine pour coordonner sa localisation et son activité.
