La membrane qui entoure une cellule biologique n’est pas simplement une barrière; il regorge de protéines impliquées dans toutes sortes de fonctions biologiques critiques. Pour vraiment comprendre ce que font les protéines membranaires et comment, les chercheurs doivent savoir comment elles sont organisées et comment elles interagissent les unes avec les autres. Mais découvrir ces informations est un défi.

Les chercheurs de Yale ont maintenant développé une nouvelle méthode de microscopie appelée Native-nanoBleach qui surmonte les principaux défis liés à la compréhension de l'organisation des protéines membranaires, notamment la difficulté d'étudier ces membranes sans perturber l'environnement natif et les limites de la résolution des microscopes optiques généralement utilisés pour les étudier.

Et pour démontrer l'efficacité de la nouvelle méthode, ils l'ont appliquée avec succès à une énigme biologique – relative aux protéines impliquées dans le développement des cancers du pancréas et à la manière dont elles pourraient être ciblées pour un traitement – ​​qui est restée non résolue pendant des décennies.

Ils décrivent la nouvelle méthode et ses avantages dans une nouvelle étude publiée dans Nature Nanotechnology .

Les méthodes généralement utilisées dans l'étude de l'organisation des protéines membranaires nécessitent de supprimer l'environnement membranaire natif entourant les protéines, puis de placer les protéines d'intérêt isolées dans des environnements qui imitent mais ne reproduisent pas entièrement la complexité de la membrane cellulaire réelle, a déclaré Moitrayee Bhattacharyya, professeur adjoint de pharmacologie. à la Yale School of Medicine et auteur principal de l'étude. Cette approche, a déclaré Bhattacharyya, supprime un contexte important puisque les protéines interagissent avec les molécules qui les entourent.

Deuxièmement, les microscopes optiques, qui sont couramment utilisés pour observer l'organisation des protéines, n'ont pas la résolution nécessaire pour déterminer si les protéines proches les unes des autres interagissent réellement ou sont simplement voisines sur les membranes.

Enfin, la quantité d’une protéine particulière trouvée dans une membrane cellulaire peut être trop faible ou trop élevée pour les méthodes d’étude actuelles. Dans ces cas-là, les chercheurs doivent procéder à des ajustements; ils doivent soit répliquer des protéines qui, dans leur état naturel, sont trop peu nombreuses, soit séparer les protéines des échantillons où il y en a trop. Mais cela encore une fois peut supprimer un contexte important sur l'état naturel des protéines lorsqu'elles siègent et fonctionnent dans les membranes cellulaires.

"Idéalement, nous aurions une méthode qui fonctionnerait avec n'importe quel niveau endogène d'expression de protéines membranaires cellulaires", a déclaré Bhattacharyya.

Pour relever le premier défi, les chercheurs ont utilisé des molécules particulières, des types de polymères, pour essentiellement extraire des complexes protéiques avec leur membrane cellulaire environnante intacte. "C'est comme si la membrane cellulaire était une feuille de pâte à biscuits et les polymères des emporte-pièces", a expliqué Bhattacharyya.

Ces morceaux de protéines entourés de la membrane cellulaire environnante, appelés nanodisques natifs, mesurent environ 10 nanomètres de diamètre, suffisamment petits pour que toutes les protéines contenues dans le nanodisque interagissent probablement, ce qui répond au deuxième défi. De plus, cette approche fonctionne avec n'importe quelle protéine de la membrane cellulaire en n'importe quelle quantité, permettant aux chercheurs d'observer les protéines à leurs niveaux naturels dans les membranes natives.

Une fois les nanodisques générés, les chercheurs peuvent utiliser un certain nombre de techniques couramment utilisées pour se concentrer sur une protéine d’intérêt particulière. Ils quantifient ensuite les protéines de chaque nanodisque à l'aide de molécules fluorescentes qui y sont attachées.

Il s'agit d'une approche qui offre une résolution spatiale élevée sans nécessiter de matériel spécialisé, a déclaré Bhattacharyya.

"Ce travail présente une nouvelle technique pour comprendre comment les protéines membranaires, qui représentent environ 60 % des cibles des médicaments, s'assemblent en unités fonctionnelles sur ou dans la bicouche lipidique native", a déclaré Gerard Walker, co-premier auteur de l'article et étudiant diplômé. dans le laboratoire de Bhattacharyya.

Pour démontrer comment cette méthode pourrait être appliquée, les chercheurs se sont lancés dans un débat de plusieurs décennies en biologie. Une protéine appelée KRas est mutée dans plus de 90 % des cancers du pancréas humain, suscitant un immense intérêt clinique et thérapeutique. La question de savoir si les sous-unités KRas se réunissent pour former des dimères (deux unités) ou des oligomères (plus de deux unités) sur les membranes cellulaires reste au centre de recherches de longue date.

Les études ont cependant abouti à des résultats contradictoires. Les études animales et cellulaires, qui manquent de résolution moléculaire détaillée, montrent que les unités KRas se rassemblent sur les membranes cellulaires. Parallèlement, des analyses biophysiques, qui ne conservent pas la membrane native autour des protéines, ont révélé que les KRas restent sous forme d'unités uniques, ou monomères.

"Avec notre méthode, nous obtenons le meilleur des deux mondes", a déclaré Bhattacharyya. "Nous conservons l'environnement membranaire natif et nous avons une résolution spatiale et moléculaire unique très élevée. Lorsque nous avons appliqué notre méthode, nous avons constaté que KRas existe sous forme de dimères et de monomères en quantités similaires. Mais lorsque KRas est muté, comme dans les cancers du pancréas, les dimères augmentent et les monomères diminuent."

La découverte met en évidence l’importance de la membrane cellulaire native pour comprendre les protéines membranaires et identifie une cible – réduisant la dimérisation de KRas – pour le traitement du cancer. Ce n'est qu'une des nombreuses façons dont cette méthode pourrait être utilisée pour comprendre le rôle de l'organisation des protéines membranaires dans la maladie, a déclaré Bhattacharyya.

"C'est vraiment gratifiant de voir Native-nanoBleach déjà appliqué avec succès à une grande variété de questions biologiques urgentes dans le laboratoire de Bhattacharyya et au-delà", a déclaré Caroline Brown, co-première auteure de l'étude et titulaire d'un doctorat. candidat dans le laboratoire du co-auteur Kallol Gupta, professeur adjoint de biologie cellulaire.

Les protéines membranaires représentent un tiers de toutes les protéines du corps humain et cette approche peut être utilisée pour étudier n'importe laquelle d'entre elles, a déclaré Bhattacharyya.

"C'est une technique générale", a-t-elle déclaré. "Il n'y a vraiment aucune limitation."

À l'avenir, Bhattacharyya et ses collègues espèrent étendre cette approche à l'étude de l'organisation des protéines dans les membranes de divers organites, structures telles que les mitochondries, contenues dans les cellules.

Plus d'informations : Gerard Walker et al, Organisation oligomérique de protéines membranaires à partir de membranes natives à une résolution spatiale et moléculaire unique à l'échelle nanométrique, Nature Nanotechnology (2023). DOI :10.1038/s41565-023-01547-4

Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle

Fourni par l'Université de Yale