Le siège d'une cellule eucaryote est le noyau, et la plupart des informations et des instructions de la cellule y sont stockées sous forme d'ADN (acide désoxyribonucléique). L'ADN, qui est tordu, roulé et empaqueté dans une chaîne de deux mètres de long, avec des molécules de protéines, constitue la fibre de chromatine qui se trouve à l'intérieur du noyau. Pendant des années, les scientifiques étaient curieux de savoir comment ces composants sont organisés. Comment est-il possible que les protéines nécessaires aux réactions biochimiques se déplacent efficacement dans le noyau plein d'ADN ? Des études récentes ont enfin résolu le mystère. Les résultats le décrivant en détail ont été publiés dans le Journal des lettres de chimie physique le 21 décembre, 2020.

Molécules dans un noyau surpeuplé

Le noyau de chaque cellule cache une chaîne de deux mètres de long d'une molécule des plus étonnantes et uniques :l'ADN. Avec les histones et diverses protéines apparentées, L'ADN construit une structure de chromatine remplie d'un fluide visqueux qui présente une excellente diversité de composition moléculaire. Depuis des décennies, la mobilité des molécules dans le noyau n'a pas été suffisamment explorée, mais les développements récents ont modifié ce statu quo. Grâce aux recherches approfondies d'un groupe de chercheurs de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences (IPC PAS) dirigé par le professeur Robert Hołyst, la mobilité des molécules à des échelles de longueur allant du simple à des dizaines de nanomètres dans le noyau est présentée en détail.

Un hypermarché moléculaire

En raison de sa petite taille, on pourrait supposer que le noyau a une structure simple et une distribution moléculaire aléatoire. Ce n'est en aucun cas le cas. Le noyau a une disposition incroyablement complexe et affinée. L'ADN ne ressemble pas à un enchevêtrement désordonné de spaghettis; il est efficacement emballé dans des structures compactes. Même la viscosité nanométrique du noyau détermine la mobilité des objets individuels à l'intérieur. Pour mieux visualiser à quel point tout cela est bien organisé, le noyau peut être décrit comme un hypermarché. Les fibres de chromatine fonctionnent comme des étagères, détenant un assortiment d'informations génétiques nécessaires (c'est-à-dire, DNA) tout comme les rayons des magasins sont remplis de produits. Ces étagères ne prennent pas tout l'espace, mais plutôt ils sont séparés dans une distance semblable à une allée qui fonctionne comme un canal. Les personnes traversant les allées selon des schémas spécifiques lors de leurs achats pourraient être comparées aux molécules de protéines qui se déplacent de manière quelque peu aléatoire dans les canaux du noyau selon les règles du mouvement brownien. Peu importe à quel point l'allée est encombrée, les gens trouvent toujours un moyen de se croiser, maintenir une certaine distance au fur et à mesure. Les molécules traversant les canaux moléculaires font de même sans problème de circulation sur leur chemin. Cela permet à chaque molécule de voyager efficacement, maintenir l'ordre d'un hypermarché.

Impact de viscosité

Les molécules présentes dans les cellules eucaryotes ont des tailles différentes. Par exemple, les ions sont de taille subnanométrique, les rayons des protéines sont généralement de quelques nanomètres; le rayon d'un nucléosome est d'environ 5,5 nm, tandis que les fibres de chromatine repliées ont un rayon d'environ 15 nm. Par ailleurs, les boucles condensées de chromatine forment des structures compactes de niveau supérieur ayant un rayon d'environ 150 nm. Pour comprendre leur mobilité au sein du noyau, L'équipe du professeur Hołyst a proposé de placer des objets de taille nanométrique couvrant tout le spectre des échelles de longueur des composants naturels trouvés dans le noyau. Polymères, protéines, et des nanoparticules ayant un rayon de 1,3 à 86 nm ont été considérées.

Pour voir cette organisation fascinante à l'échelle nanométrique, La mobilité de molécules spécifiques a été étudiée à l'aide de techniques non invasives telles que la spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS) et la spectroscopie de corrélation d'images matricielles (RICS). Grâce à des substances comme la GFP (protéine fluorescente verte) ou les nanoparticules à base de rhodamine en concentration nanomolaire, il a été possible d'observer la mobilité de molécules particulières et de déterminer la viscosité du nucléoplasme sans perturber l'activité cellulaire. Ces techniques permettent aux scientifiques d'étudier même les changements les plus mineurs au niveau moléculaire. La mobilité des grosses nanoparticules a été réduite jusqu'à 6 fois par rapport à la diffusion dans un milieu aqueux.

Cependant, la diffusion typique des molécules de la taille d'une protéine n'a été réduite que 2 à 3 fois. La mobilité diminue drastiquement lorsque le rayon des objets injectés est supérieur à 20, plus de significativité sur les estimations du coefficient de diffusion, il est possible d'examiner de plus près le mouvement et l'interaction des molécules qui se produisent entre des objets particuliers dans les canaux du noyau et au sein de la structure tassée à l'intérieur du noyau. Ces mesures élargissent notre compréhension actuelle de la structure du noyau. Avoir une bonne compréhension de la complexité des canaux au sein des noyaux est crucial car cela contribue directement à notre connaissance de la façon dont les grandes biostructures, peut-être y compris la médecine du futur proche, sont transportés à l'intérieur de la cellule.

Le premier auteur, dr. Grzegorz Bubak remarque, "Nos expériences ont révélé que le noyau des cellules eucaryotes est percolé par des canaux interchromosomiques d'environ 150 nm de large remplis de la solution aqueuse de protéine diluée de faible viscosité."

Les études quantifiant l'encombrement au sein des noyaux des cellules révèlent que la plupart des molécules peuvent librement traverser cette structure complexe. Sur la base d'expériences appuyées par des modèles théoriques, il a été possible d'estimer la largeur des canaux (~150 nm) entre la structure de la chromatine. Les canaux des noyaux peuvent constituer jusqu'à 34% du volume des noyaux, soit environ 240 fL. S'ils étaient plus étroits, les fibres de chromatine seraient plus dispersées, rendant impossible le mouvement efficace des molécules à l'intérieur. Il est fascinant que le noyau puisse contenir de telles quantités d'ADN et d'autres éléments chimiques sans perturber la migration des molécules. Tout cela grâce aux fibres de chromatine bien agencées fabriquées par l'ADN avec des protéines structurelles qui donnent sa forme à la double hélice. La mobilité d'éléments chimiques particuliers à travers le fluide biologique dans les canaux moléculaires est essentielle dans de nombreux processus, telles que la création de molécules spécifiques et la formation de nouvelles structures complexes de protéines.

"Ces résultats peuvent être d'une grande importance lors de la conception de médicaments biologiques tels que les protéines thérapeutiques, enzymes, et anticorps monoclonaux, qui peuvent avoir des rayons hydrodynamiques plus grands que les médicaments chimiques conventionnels à base de composés synthétiques, " conclut le Dr Bubak

À la suite de ces études, la mobilité des molécules dans les canaux nucléaires est maintenant décrite en détail et bien comprise pour la première fois. Grâce aux recherches présentées dans ce travail, nous savons maintenant comment les fibres de chromatine régissent l'organisation des molécules, révélant la machinerie moléculaire intrigante cachée au plus profond du noyau. Nous sommes maintenant un pas de plus vers le développement d'agents thérapeutiques qui peuvent être efficacement transportés dans le noyau.