Les biophysiciens de la Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munch ont développé une nouvelle théorie, ce qui explique l'observation que les cellules peuvent percevoir leurs propres formes, et utiliser cette information pour diriger la distribution des protéines à l'intérieur de la cellule.

De nombreux processus cellulaires dépendent de manière critique de la distribution et de la structuration précises des protéines sur la membrane cellulaire. Diverses études ont montré que, en plus des interactions protéine-protéine et des processus de transport, la forme des cellules peut également avoir un impact considérable sur la formation de motifs intracellulaires. Inversement, il existe des processus de structuration dans lesquels toute dépendance vis-à-vis de la forme cellulaire serait délétère. En utilisant des ovocytes d'étoiles de mer comme système modèle, Les physiciens de LMU dirigés par le professeur Erwin Frey ont maintenant expliqué comment des modèles de protéines robustes peuvent émerger face à des changements drastiques dans la forme des cellules. Comme Frey et ses collègues rapportent une nouvelle étude publiée dans le journal Physique de la nature , un gradient de concentration formé dans la cellule elle-même code les informations de forme de la cellule et est décodé par des modèles de protéines auto-organisés.

Les ovocytes des étoiles de mer sont relativement gros et transparents, et sont donc bien adaptés aux investigations biochimiques. Juste avant la division cellulaire méiotique, une vague de contraction membranaire passe le long de la membrane cellulaire vers la position où la cellule se divise de manière asymétrique. Cette onde de contraction est déclenchée par l'enzyme liée à la membrane appelée Rho, dont l'activité se propage sous forme d'impulsion sur la membrane. La vague progresse de ce qu'on appelle le pôle végétal de l'ovocyte vers le pôle animal, où se trouve le noyau, et se divise de manière asymétrique au fur et à mesure que la vague arrive.

Pour étudier l'influence des changements de forme cellulaire sur ce processus, les chercheurs ont placé des ovocytes isolés dans des microchambres de formes différentes, forçant ainsi les cellules à adopter la géométrie imposée par la frontière de chaque conteneur. "Nous avons trouvé que, bien que l'impulsion d'activation Rho se propage d'une manière modifiée en conséquence dans les cellules déformées, il atteint toujours la position où se trouve le noyau, " dit Frey. " Cette observation fascinante prouve que l'impulsion Rho reconnaît la forme de la cellule et s'y adapte. "

Les modèles de protéines auto-organisés peuvent décoder les informations sur la forme des cellules

Pour comprendre le mécanisme derrière cette remarquable adaptabilité, l'équipe a ensuite développé une théorie biophysique qui explique cette découverte. Le modèle est basé sur la découverte antérieure que le régulateur du cycle cellulaire Cdk1 est distribué de manière asymétrique dans le cytoplasme de l'ovocyte, où il forme un gradient de concentration qui s'étend du noyau au cytoplasme et se désintègre avec le temps. Ce gradient permet aux protéines de la membrane de s'adapter à la forme cellulaire.

"L'idée clé est que la protéine qui active Rho mesure le gradient près de la membrane et marque une concentration seuil du gradient :elle forme un profil de concentration de type front sur la membrane, de telle sorte que le front se positionne exactement à la concentration seuil. A cette position avant, l'activateur Rho, à son tour, déclenche localement une impulsion d'activité de Rho." dit Wigbers, l'un des premiers auteurs de l'article. Au fur et à mesure que le gradient diminue, la position de cette valeur seuil se déplace à vitesse variable le long de la membrane, selon la forme de la cellule. Ainsi, via cette hiérarchie de profils de concentration en protéines, les informations de forme codées dans le gradient sont transformées en une réponse mécanochimique, l'onde de contraction qui passe au-dessus de la membrane.

"Nos résultats soulignent l'importance de l'auto-organisation des schémas protéiques hiérarchiques pour la compréhension des fonctions biologiques, " dit Frey. En effet, les auteurs ont intégré deux paradigmes majeurs dans le domaine de la formation de motifs protéiques :l'auto-organisation basée sur des mécanismes de réaction-diffusion et l'exploitation de l'information positionnelle. "Nous pensons qu'un tel mécanisme, qui utilise une hiérarchie de modèles de protéines pour coder des informations qui reflètent la forme des cellules, pourrait représenter un principe physique général pour la reconnaissance et la régulation de la forme des cellules, " conclut Frey.