Des gouttelettes de la taille d'un micron fusionnées dans le sarcome, une protéine désordonnée liée à la SLA, sont visualisés à l'aide d'un microscope confocal à fluorescence. Crédit:Priya Banerjee Lab à UB
Les physiciens de l'Université de Buffalo utilisent des outils innovants pour étudier les propriétés d'une classe étrange de molécules qui peuvent jouer un rôle dans la maladie :des protéines qui se regroupent pour former des gouttelettes sphériques à l'intérieur des cellules humaines.
Les dernières recherches des scientifiques mettent en lumière les conditions qui poussent de telles gouttelettes à passer d'un fluide, état liquide à un plus dur, état gélatineux.
Publié le 19 février dans la revue Biomolécules comme article vedette, l'étude révèle que certaines gouttelettes de protéines durcissent, devenir gélatineux dans des environnements surpeuplés (comme des tubes à essai où de nombreuses autres molécules sont présentes, imitant les conditions d'encombrement à l'intérieur des cellules vivantes).
"Ces protéines formant des gouttelettes sont un domaine d'étude relativement nouveau, nous en savons donc très peu sur leurs propriétés de base, " dit l'enquêteur principal Priya R. Banerjee, Doctorat., professeur adjoint de physique à l'UB College of Arts and Sciences. « En tant que physiciens, nous voulons quantifier la dynamique de ces gouttelettes et apprendre quels facteurs les influencent. Ceci est important car la dynamique des gouttelettes de protéines est la clé de leur fonction et de leur dysfonctionnement cellulaires.
"Les recherches antérieures se sont concentrées sur la structure des protéines elles-mêmes, mais nos travaux montrent que les facteurs environnementaux sont tout aussi importants. Nous voyons que les conditions externes peuvent modifier l'état interne des gouttelettes, ce qui peut affecter leur fonction dans les cellules humaines.
La recherche est importante parce que les protéines de condensation peuvent être impliquées dans la santé et la maladie. Des études récentes indiquent des rôles potentiels pour ces gouttelettes dans des fonctions aussi diverses que l'expression des gènes, réponse au stress et fonction du système immunitaire.
Le nouvel article étudie une protéine formant des gouttelettes appelée fusionnée dans le sarcome (FUS). Des gouttelettes liquides de FUS se trouvent dans les cellules cérébrales normales, mais chez certains patients atteints de la maladie neurodégénérative de la sclérose latérale amyotrophique (SLA), la protéine forme des agrégats de matière solide, dit Banerjee. On ne sait pas pourquoi.
Utiliser des lasers pour épiler et piquer des gouttelettes de protéines
La recherche a utilisé deux techniques innovantes pour montrer comment les conditions environnementales peuvent affecter les gouttelettes fabriquées à partir de FUS ou d'autres protéines apparentées.
Deux gouttelettes de protéines refusent de fusionner lorsqu'elles sont poussées ensemble (images de microscope à fluorescence 1-3, montré de manière séquentielle). Les gouttelettes, fabriqué à partir de protéines fusionnées dans le sarcome, sont dans un dur, état gélatineux lorsqu'ils se trouvent dans une solution encombrée d'autres molécules. Les scientifiques ont utilisé une technologie de pointe de pincement optique pour saisir et manipuler ces micro-gouttelettes de protéines. Crédit:Priya Banerjee Lab à UB
Dans une série d'expériences, les scientifiques ont utilisé des faisceaux laser hautement focalisés, appelés pinces optiques, pour piéger et rapprocher deux gouttelettes de protéines flottant dans une solution tampon liquide.
Les gouttelettes de protéine ont fusionné facilement pour former une seule gouttelette plus grosse lorsque le tampon était peu peuplé d'autres molécules de foule inertes telles que le polyéthylène glycol (PEG). Mais lorsque la concentration de PEG ou d'autres produits chimiques dans le tampon a augmenté, les gouttelettes de protéines sont devenues plus gélatineuses et ne se combinent pas complètement.
Dans une deuxième série de tests, l'équipe a utilisé des lasers d'une manière différente - "le laser piquer" - pour étudier comment le FUS et les gouttelettes de protéines associées réagissent aux environnements surpeuplés.
Deux gouttelettes de protéines fusionnent facilement lorsqu'elles sont poussées ensemble (montrées séquentiellement dans les images de microscope à fluorescence, de haut en bas.) Les gouttelettes, fabriqué à partir de protéines fusionnées dans le sarcome, ont une consistance fluide car ils reposent dans une solution peu peuplée d'autres molécules. Les scientifiques ont utilisé une technologie de pointe de pincement optique pour saisir et manipuler ces micro-gouttelettes de protéines. Crédit :Priya Banerjee Lab à UB
Dans ces expériences, Banerjee et ses collègues ont attaché des étiquettes fluorescentes à de nombreuses molécules de protéines dans une seule gouttelette, faisant briller les protéines. Les chercheurs ont ensuite "piqué" le milieu de la goutte avec un laser à haute intensité, une procédure qui a causé l'obscurité permanente de toutes les molécules fluorescentes touchées par le laser.
Prochain, les scientifiques ont mesuré combien de temps il a fallu pour que de nouvelles protéines incandescentes pénètrent dans la zone sombre. Cela s'est produit rapidement dans les gouttelettes de protéines flottant dans des solutions tampons peu peuplées. Mais le temps de récupération était considérablement plus lent pour les gouttelettes en suspension dans des solutions tampons épaisses de PEG ou d'autres composés - une indication, encore une fois, que les gouttelettes de protéines deviennent gélatineuses dans des environnements surpeuplés. Les résultats s'appliquaient à la fois à la FUS et à d'autres gouttelettes de protéines apparentées avec diverses structures primaires.
"Nos expériences ont été faites dans des tubes à essai, mais nos résultats suggèrent qu'à l'intérieur des cellules vivantes, le statut de surpeuplement pourrait affecter la dynamique des gouttelettes de protéines, " dit Banerjee.
Une question importante qui demeure est de savoir si et comment la fluidité des gouttelettes de FUS a un impact sur la capacité de la protéine à se former en amas solides, comme on le voit chez certains patients atteints de SLA. Banerjee espère résoudre ce problème grâce à de futures recherches.
