Les chercheurs obtiennent une image plus complète d’une structure appelée complexe de pores nucléaires en l’étudiant directement à l’intérieur des cellules. — ScienceDaily

Les scientifiques purifient souvent des composants cellulaires, tels que des protéines ou des organites, afin de les examiner individuellement. Cependant, une nouvelle étude publiée le 13 octobre dans la revue La nature suggère que cette pratique peut modifier drastiquement les composants en question. Les chercheurs ont mis au point une méthode pour étudier une grande structure en forme de beignet appelée complexe de pores nucléaires (NPC) directement à l’intérieur des cellules. Leurs résultats ont révélé que le pore avait des dimensions plus grandes qu’on ne le pensait auparavant, soulignant l’importance d’analyser des molécules complexes dans leur environnement natif.

« Nous avons montré que l’environnement cellulaire a un impact significatif sur les grandes structures comme le NPC, ce à quoi nous ne nous attendions pas lorsque nous avons commencé », déclare Thomas Schwartz, professeur de biologie Boris Magasanik et co-auteur principal de l’étude. . « Les scientifiques ont généralement pensé que les grosses molécules sont suffisamment stables pour maintenir leurs propriétés fondamentales à la fois à l’intérieur et à l’extérieur d’une cellule, mais nos découvertes renversent cette hypothèse. »

Chez les eucaryotes comme les humains et les animaux, la majeure partie de l’ADN d’une cellule est stockée dans une structure arrondie appelée noyau. Cet organite est protégé par l’enveloppe nucléaire, une barrière protectrice qui sépare le matériel génétique du noyau du liquide épais remplissant le reste de la cellule. Mais les molécules ont encore besoin d’un moyen d’entrer et de sortir du noyau afin de faciliter des processus importants, y compris l’expression des gènes. C’est là qu’intervient le PNJ. Des centaines – parfois des milliers – de ces pores sont incrustés dans l’enveloppe nucléaire, créant des passerelles qui permettent à certaines molécules de passer.

Le premier auteur de l’étude, l’ancien postdoctorant Anthony Schuller, compare les PNJ aux portes d’un stade de sport. « Si vous voulez accéder au jeu à l’intérieur, vous devez montrer votre billet et passer par l’une de ces portes », explique-t-il.

Le PNJ est peut-être minuscule selon les normes humaines, mais c’est l’une des plus grandes structures de la cellule. Il est composé d’environ 500 protéines, ce qui a rendu sa structure difficile à analyser. Traditionnellement, les scientifiques l’ont divisé en composants individuels pour l’étudier au coup par coup à l’aide d’une méthode appelée cristallographie aux rayons X. Selon Schwartz, la technologie requise pour analyser le PNJ dans un environnement plus naturel n’est disponible que récemment.

En collaboration avec des chercheurs de l’Université de Zurich, Schuller et Schwartz ont utilisé deux approches de pointe pour résoudre la structure des pores : le broyage par faisceau d’ions cryo-focalisé (cryo-FIB) et la tomographie cryoélectronique (cryo-ET).

Une cellule entière est trop épaisse pour être observée au microscope électronique. Mais les chercheurs ont découpé des cellules de côlon congelées en couches minces à l’aide de l’équipement cryo-FIB hébergé au Centre de microscopie électronique cryogénique automatisée du MIT.nano et au Peterson (1957) Nanotechnology Materials Core Facility du Koch Institute. Ce faisant, l’équipe a capturé des sections transversales des cellules qui comprenaient des PNJ, plutôt que de simplement regarder les PNJ de manière isolée.

« La chose étonnante à propos de cette approche est que nous avons à peine manipulé la cellule », dit Schwartz. « Nous n’avons pas perturbé la structure interne de la cellule. C’est la révolution. »

Ce que les chercheurs ont vu en regardant leurs images de microscopie était assez différent des descriptions existantes du PNJ. Ils ont été surpris de constater que la structure annulaire la plus interne, qui forme le canal central du pore, est beaucoup plus large qu’on ne le pensait auparavant. Lorsqu’il est laissé dans son environnement naturel, le pore s’ouvre jusqu’à 57 nm, ce qui entraîne une augmentation de 75 % du volume par rapport aux estimations précédentes. L’équipe a également pu examiner de plus près comment les différents composants du PNJ fonctionnent ensemble pour définir les dimensions du pore et l’architecture globale.

« Nous avons montré que l’environnement cellulaire a un impact sur la structure des PNJ, mais maintenant nous devons comprendre comment et pourquoi », explique Schuller. Toutes les protéines ne peuvent pas être purifiées, ajoute-t-il, donc la combinaison de cryo-ET et de cryo-FIB sera également utile pour examiner une variété d’autres composants cellulaires. « Cette double approche débloque tout. »

« L’article illustre bien comment les progrès techniques, dans ce cas la tomographie cryoélectronique sur des cellules humaines broyées par faisceau d’ions cryo-focalisé, fournissent une nouvelle image des structures cellulaires », explique Wolfram Antonin, professeur de biochimie à l’université RWTH d’Aix-la-Chapelle en Allemagne qui n’a pas participé à l’étude. Le fait que le diamètre du canal de transport central du NPC soit plus grand qu’on ne le pensait auparavant laisse entendre que le pore pourrait avoir une flexibilité structurelle impressionnante. « Cela peut être important pour que la cellule s’adapte aux demandes de transport accrues », explique Antonin.

Ensuite, Schuller et Schwartz espèrent comprendre comment la taille du pore affecte les molécules qui peuvent le traverser. Par exemple, les scientifiques n’ont déterminé que récemment que le pore était suffisamment grand pour permettre à des virus intacts comme le VIH d’entrer dans le noyau. Le même principe s’applique aux traitements médicaux : seuls les médicaments de taille appropriée et aux propriétés spécifiques pourront accéder à l’ADN de la cellule.

Schwartz est particulièrement curieux de savoir si tous les PNJ sont créés égaux ou si leur structure diffère selon les espèces ou les types de cellules.

« Nous avons toujours manipulé les cellules et sorti les composants individuels de leur contexte natif », dit-il. « Maintenant, nous savons que cette méthode peut avoir des conséquences beaucoup plus importantes que nous le pensions. »