Comment un nez se souvient-il que c'est un nez ? Ou un œil, rappelez-vous que c'est un œil ?

Alors que les scientifiques étudient la question de savoir comment les cellules se souviennent du type de cellules qu'elles sont censées être ou de leur lignée génétique, il est important de comprendre comment les cellules expriment différents gènes sans modifier la séquence d'ADN elle-même.

Mais étudier ce sujet est difficile :les chercheurs peuvent purifier les protéines qui pilotent l'expression génétique, les mettre dans un tube à essai et les regarder se lier. Mais le faire à l'intérieur du noyau des cellules, leur environnement natif, était jusqu'à présent impossible.

Maintenant, une équipe de chercheurs de trois laboratoires de l'Université du Michigan a pu suivre comment une protéine se lie à son substrat de chromatine dans une cellule vivante en établissant une collaboration qui combine une imagerie ultra haute résolution de pointe, une protéine synthétique conception et modélisation informatique. Leurs résultats sont publiés dans Science Advances .

"La question biologique que nous posons est la suivante :" comment les cellules se souviennent-elles réellement des expériences passées? Et comment ces expériences conduisent-elles également les cellules à établir des identités distinctes, comme cela se produit dans le cas du corps humain où vous avez des lignées de cellules qui forment des neurones, des cellules sanguines ou des cellules cérébrales, et tous conservent leur identité pendant de nombreuses générations », a déclaré l'auteur principal Kaushik Ragunathan, professeur adjoint de chimie biologique à l'U-M Medical School.

"Un exemple auquel j'aime penser est que si vous vous coupez le nez, aucune main ne pousse là-bas, même si le génome de votre nez et le génome de votre main sont exactement les mêmes."

Les cellules contrôlent comment et quels gènes sont exprimés à partir d'une copie de la séquence d'ADN contenue dans chaque cellule, bien que cette séquence soit la même dans toutes les cellules du corps. L'une des façons dont ils contrôlent l'expression consiste à modifier le degré d'encapsulation de l'ADN dans le noyau à l'aide de protéines appelées « histones ». Les histones peuvent être modifiées par l'ajout de petites étiquettes chimiques qui régulent la force de l'ADN qui les entoure et donc si les gènes peuvent être exprimés.

Les protéines qui ont la capacité de lire, d'écrire et d'effacer ces marqueurs d'histone explorent très rapidement l'ADN dans le noyau de la cellule, de l'ordre de quelques millisecondes, selon Ragunathan. En fin de compte, toutes ces informations épigénétiques doivent être héritées de génération en génération, mais la reconnaissance de ces étiquettes est un processus compliqué qui implique la liaison de la chromatine et la rencontre et l'interaction des protéines entre elles au milieu du chaos de toutes les autres interactions concurrentes possibles au sein de la cellule.

Être capable de comprendre chaque étape du processus, et donc permettre de contrôler la façon dont l'information épigénétique est héritée, a intrigué la co-auteure Julie Biteen, professeur de chimie et de biophysique.

Biteen utilise l'imagerie par fluorescence à molécule unique pour suivre les protéines individuelles à l'intérieur des cellules. Son laboratoire peut voir où ces protéines se situent par rapport à la chromatine, et l'expertise de Ragunathan porte sur les mécanismes moléculaires qui sous-tendent l'interaction des modifications des histones et des protéines de liaison aux histones. Ces deux mondes devaient se rejoindre afin que la biochimie de ce qui se passe dans un tube à essai à l'extérieur des cellules puisse être testée pour comprendre ce qui se passe à l'intérieur de celles-ci.

"Le moment de ce processus est d'une importance cruciale pour s'assurer que les bons gènes sont réduits au silence au bon endroit et au bon moment", a déclaré Biteen. "Ce qui m'a accroché à ce projet, c'est qu'in vitro - dans un tube à essai - vous pouvez purifier deux protéines, les regarder se lier et voir à quel point cette liaison est bonne, ou quelle est l'affinité l'une pour l'autre. Cela vous indique ce qui peut se passer dans les cellules, mais pas ce qui se passe dans les cellules."

Biteen et Ragunathan ont travaillé avec Peter Freddolino, professeur agrégé de chimie biologique, de médecine computationnelle et de bioinformatique à l'U-M Medical School, pour combiner la modélisation informatique avec leurs résultats expérimentaux.

"C'est vraiment là que notre collaboration devient vraiment puissante", a déclaré Biteen. "D'une part, voir des molécules est très utile et savoir à quelle vitesse les molécules se déplacent aide beaucoup à comprendre ce qui est possible à l'intérieur de la cellule, mais ici, nous pourrions faire un bond en avant en perturbant le système même de manière non naturelle afin de comprendre ce que signifient réellement ces différents mouvements de molécules dans la cellule."

Alors que les marques épigénétiques sont extrêmement importantes pour le maintien de différents tissus dans des organismes complexes comme les humains, elles jouent également un rôle important dans la régulation des gènes d'organismes unicellulaires tels que la levure. L'équipe s'est concentrée sur un type de protéine HP1 dans les cellules de levure appelée Swi6. Cette famille de protéines se lie à un type spécifique de modifications d'histones dans la cellule pour imposer le silençage génique. En intégrant des étiquettes fluorescentes à Swi6, le laboratoire de Bitee a observé Swi6 se déplacer à l'intérieur du noyau de la cellule.

Alors que Swi6 recherche le bon site de liaison sur l'ADN, il se déplace rapidement, a déclaré Biteen. Lorsqu'il trouve sa cible, il ralentit considérablement. Le mouvement d'une protéine dans la cellule s'apparente aux engrenages d'une voiture et les choses peuvent se déplacer à des vitesses différentes en fonction de la personne avec laquelle les protéines interagissent.

"A partir de ces traces de spaghetti que nous obtenons à l'intérieur de la cellule, nous déterminons ensuite combien de temps ils passent à chercher et combien de temps ils passent à rester liés", a déclaré Biteen. "Le temps qu'ils passent sans bouger nous indique à quel point ils interagissent et leurs propriétés biochimiques."

Alors que le laboratoire de Biteen peut mesurer les mouvements dans la cellule à l'échelle de dizaines de millisecondes, une grande partie de la biochimie qui se produit dans la cellule se produit encore plus rapidement, a-t-elle déclaré. Freddolino a pris ces informations expérimentales et développé des modèles pour estimer la capacité des protéines Swi6 à sauter entre les états de liaison qui ont été identifiés dans les expériences.

La modélisation de Freddolino a pris en compte les mesures expérimentales et les propriétés biochimiques possibles, notamment la manière dont les molécules Swi6 interagissent dans la cellule. Ces interactions incluent des molécules qui flottent librement dans la solution de la cellule, des molécules qui se sont liées à l'ADN et des molécules qui "se tiennent par la main", a-t-il déclaré.

"Mon laboratoire voulait proposer un modèle plus fin qui estimait quel était l'ensemble le plus probable d'états moléculaires des protéines et leur capacité à sauter entre ces états, ce qui donnerait ensuite lieu aux données d'imagerie créées par le laboratoire de Biteen. ", a déclaré Freddolino.

"Avoir ce modèle numérique nous permet de faire des expériences informatiques sur ce qui se passe si la liaison aux protéines est deux fois plus rapide que nous le pensons. Et si c'est 10 fois plus rapide que nous le pensons ? Ou 10 fois plus lent ? Cela pourrait-il encore donner lieu au Très heureusement, dans ce cas, nous avons pu montrer que les processus pertinents étaient réellement capturés par la microscopie à fluorescence."

Après avoir identifié les propriétés de liaison du Swi6 naturel, les chercheurs ont testé leurs découvertes en reconcevant le Swi6 à partir de ses composants pour voir s'ils pouvaient reproduire certaines de ses propriétés biochimiques, a déclaré Ragunathan. Cela a permis aux chercheurs de déterminer que l'imagerie et la modélisation menées dans la première partie de l'article reflètent la façon dont la protéine se lie dans son environnement natif.

« Pouvons-nous faire ce que la nature a fait au cours de millions d'années et fabriquer une protéine qui, à bien des égards, possède des propriétés similaires à celles de Swi6 dans les cellules ? dit Ragunathan. "La biochimie in vivo, c'est ainsi que nous avons décidé d'appeler cela, n'était pas quelque chose que l'on pensait possible à l'intérieur des cellules vivantes, mais nous avons montré que c'est tout à fait faisable en utilisant l'imagerie comme modalité. Nous utilisons ce projet comme base pour comprendre comment ces états épigénétiques peuvent être établis et maintenus à travers les générations." + Explorer plus loin

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