Des scientifiques du Scripps Research Institute (TSRI) ont résolu un mystère cellulaire qui pourrait avoir des implications importantes pour la biologie fondamentale et des maladies comme la SLA. Leurs nouvelles recherches suggèrent que l'ARN pourrait être l'ingrédient secret qui aide les cellules à s'assembler, organiser l'architecture interne, et finalement dissoudre les compartiments dynamiques en forme de gouttelettes.

Ces structures en forme de gouttelettes sont communément appelées organites sans membrane, et ils sont essentiels à la façon dont les cellules compartimentent leur biochimie et régulent des processus tels que l'expression des gènes et la réponse au stress.

Depuis 200 ans, les scientifiques connaissent l'existence d'organites sans membrane dans les cellules et se demandent comment ils sont régulés. Des études récentes suggèrent que l'augmentation de la fraction d'ARN peut conduire à la formation de gouttelettes protéine-ARN par un processus appelé séparation de phase liquide-liquide.

"C'est fondamentalement le même type de phénomène d'immiscibilité qui pousse le pétrole à former des gouttelettes dans l'eau, " a déclaré le professeur agrégé TSRI Ashok Deniz, qui a codirigé l'étude publiée récemment dans la revue Angewandte Chemie comme Papier Très Important (VIP). "Alors que plusieurs forces biomoléculaires faibles entraînent collectivement la formation de gouttelettes de protéine-ARN, nous nous sommes concentrés sur un type particulier dans cette étude :les interactions électrostatiques entraînées par des biomolécules de charge opposée. Une découverte majeure a été qu'une augmentation supplémentaire de la concentration d'ARN peut dissoudre ces gouttelettes, ramener une phase liquide homogène."

La vitesse à laquelle ces gouttelettes se forment et se dissolvent peut être la clé de la survie cellulaire. "Les gouttelettes peuvent se former et se dissoudre selon les besoins, qui permet aux cellules de s'adapter très rapidement au stress cellulaire, " a déclaré Priya Banerjee, associée de recherche, qui a co-dirigé l'étude et a été co-premier auteur avec les étudiants diplômés Anthony N. Milin et Mahdi Muhammad Moosa de TSRI.

La nouvelle étude suggère que la charge négative des molécules d'ARN est la clé de la création et de la dissolution des gouttelettes. "L'ARN est comme un agent double, " dit Banerjee.

Comment les gouttelettes se forment et disparaissent

L'ARN a une charge globale négative. Lorsqu'il entre initialement en contact avec des protéines chargées positivement, les molécules de charge opposée s'attirent. Ensemble, ils créent un assemblage moléculaire et forment des gouttelettes liquides. Ces gouttelettes permettent aux cellules d'accomplir des fonctions importantes.

Les chercheurs ont également découvert que les gouttelettes se dissolvent rapidement lorsque l'on augmente l'ARN dans le système.

"L'ajout de plus d'ARN à ce système perturbe l'équilibre subtil entre les charges négatives et positives, conduisant à la formation d'assemblages chargés négativement qui maintenant se repoussent, dissolvant ainsi la gouttelette, " a déclaré le co-auteur de l'étude Paulo L. Onuchic, un étudiant diplômé du Deniz Lab.

Cette découverte unique met en lumière une voie de régulation inattendue. La recherche remet également en question la conception précédente selon laquelle les forces biomoléculaires qui créent des gouttelettes devraient être inversées pour les dissoudre. Au lieu d'inverser le processus, soit par l'élimination de l'ARN, soit par une modification post-traductionnelle de la protéine pour détruire sa charge positive, les chercheurs ont découvert que le système peut simplement ajouter plus d'ARN pour dissoudre une gouttelette.

"Le comportement en forme de fenêtre de la formation de gouttelettes en fonction de la concentration d'ARN observé ici présente une voie unidirectionnelle qui peut être exploitée par les cellules à l'aide de processus tels que la transcription, " dit Banerjee.

Dans d'autres expériences, l'équipe a démontré que la synthèse d'ARN par les machineries cellulaires forme et dissout effectivement ces gouttelettes.

Création de gouttelettes "creuses"

Le fait que l'ARN puisse dissoudre les gouttelettes a donné aux chercheurs une chance unique de contrôler l'ajout d'ARN et de surveiller le processus de dissolution. "À notre surprise, au lieu d'un simple processus de dissolution de gouttelettes, nous avons observé des sphères creuses se formant à l'intérieur des gouttelettes. Prendre du recul, vous voyez qu'en ajoutant plus d'ARN, nous créons des gouttelettes de faible densité à l'intérieur de gouttelettes de haute densité, " dit Deniz.

Deniz a comparé ce phénomène à un glaçon fondant de l'intérieur. De façon intéressante, ces gouttelettes internes, appelées vacuoles, ressemblent aux sous-structures internes complexes qui sont généralement observées dans un certain nombre d'organites cellulaires ressemblant à des gouttelettes.

"La clé pour créer des vacuoles est cette transition unidirectionnelle d'un liquide homogène initial à deux phases liquides non miscibles et de retour à une phase homogène simplement en augmentant la fraction d'ARN, " a ajouté Banerjee.

L'équipe a ensuite testé si ces résultats s'appliqueraient à une protéine clé trouvée dans les granules de stress, importants organites "gouttelettes" qui protègent les cellules pendant le stress. Ils ont étudié une protéine de liaison à l'ARN appelée FUS, qui a été impliqué dans la SLA.

"Avec FUS, nous avons découvert que l'ARN peut à la fois former et dissoudre des gouttelettes de la même manière que le système modèle plus simple. Remarquablement, Les gouttelettes FUS présentaient également des sous-structures internes complexes, ce qui ouvre la voie à la détermination du rôle biologique de ces vacuoles, " dit Milin.

Bien que cette recherche en soit encore à ses débuts, les chercheurs pensent que les mutations du FUS peuvent interférer dans la dynamique normale des gouttelettes chez certains patients atteints de SLA, empêchant éventuellement leurs cellules de faire face correctement au stress cellulaire.

Les travaux ouvrent de nombreuses pistes pour de futures recherches en biologie cellulaire et en pathologie, y compris des études quantitatives de ce type spécifique de transition de phase dans d'autres systèmes biologiques, comprendre les déterminants moléculaires des protéines et des ARN qui contrôlent la dynamique des gouttelettes, et d'autres études sur la structuration complexe des gouttelettes.