La mécano-biologie décryptée par microscopie de super-résolution

Publié par Isabelle le 04/08/2020 à 13:00
Source: CNRS INSB
Les cellules s'adaptent et répondent à une multitude de stimuli mécaniques. Cependant, les mécanismes moléculaires de la mécanosensibilité cellulaire sont encore méconnus. Les scientifiques ont réussi à étudier, pour la première fois dans des cellules vivantes, les réponses mécaniques des protéines au sein de structures mécanosensibles. Pour ce faire, là où aucune technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) ne le permettait auparavant, les chercheurs ont combiné les techniques de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à l'œil nu,...) de super-résolution et d'étirement cellulaire dans un dispositif miniaturisé innovant. Ces travaux ont été publiés dans la revue Nature Cell Biology.


Ces images des filaments intermédiaires à une résolution d'une dizaine de nanomètres ont été obtenues grâce à une méthode innovante combinant étirement cellulaire (A) et les techniques de microscopie de super-résolution (B). Cette approche permet d'étudier les réponses mécaniques de protéines individuelles au sein des structures mécanosensibles cellulaires.
© Filipe Nunes Vicente

Les tissus et les cellules d'un organisme sont continuellement soumis à des forces mécaniques. Par exemple, les muscles et les neurones sont étirés pendant le mouvement, le battement (En acoustique, le battement est une interférence entre deux sons de fréquences légèrement différentes, laissant percevoir des pulsations. En acoustique musicale, il correspond au...) du coeur ou la respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet de dioxyde de carbone, CO2, appelé parfois de façon impropre « gaz carbonique », et absorption...). De façon plus générale, les cellules sondent constamment les propriétés mécaniques de leur microenvironnement, à l'aide de structures adhésives et leur cytosquelette. Cette mécanosensibilité cellulaire joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) un rôle clé dans la vie (La vie est le nom donné :) de la cellule car elle régule (Les régules sont des alliages d'étain ou de plomb et d'antimoine.) sa migration, mais aussi sa prolifération et sa mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la mort des étoiles). Chez les organismes...) lors de phénomènes physiologiques tels que le développement. L'altération de cette mécanosensibilité cellulaire est impliquée dans le développement de multiples pathologies, notamment le cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement importante au sein d'un tissu normal de l'organisme, de telle manière...).

Des études antérieures réalisées sur des protéines purifiées ont montré que la mécanosensibilité cellulaire repose sur la déformation et la réorganisation des protéines. Le consensus général est qu'un stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes environnementales. Dans le langage...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce...) externe appliqué aux cellules est directement et instantanément transmis aux protéines au sein des structures adhésives et du cytosquelette. Cependant, cette hypothèse n'a jamais pu être vérifiée car aucune méthode ne permettait auparavant d'appliquer des forces externes aux cellules tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en capturant la réponse mécanique des protéines individuelles au sein de structures cellulaires.

Dans cette étude, les scientifiques ont révélé pour la première fois la réponse mécanique des protéines individuelles en combinant l'étirement cellulaire sur des substrats élastiques avec la microscopie de super-résolution. Les techniques dites de super-résolution (prix Nobel de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) 2014) permettent de résoudre les structures cellulaires à l'échelle nanométriques et de suivre en direct les mouvements des protéines. Lors d'un étirement cellulaire, certaines protéines, en particulier les protéines d'adhésion (En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se produisent lorsque l’on met en contact intime deux matériaux, dans le but...), suivent le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En...) élastique du substrat. D'autres, comme les protéines connectées au cytosquelette, ont un comportement inélastique, car elles continuent à être déformées alors même que le substrat n'est plus étiré. Ces déformations moléculaires différées et amplifiées par rapport au stress mécanique initial sont déclenchées par un remodelage transitoire et actif de la machinerie contractile de la cellule composée de filaments d'actine et de moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) moléculaires. Ces déformations protéiques, qui révèlent des sites d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) cachés, permettent le recrutement de nouvelles protéines au sein des structures adhésives.

Les résultats obtenus démontrent que la réponse mécanique des protéines n'est pas obligatoirement déclenchée par une transmission directe des forces externes. Au contraire, une contrainte mécanique externe déclenche une réponse active et déphasée de la cellule. Ce mécanisme amplifie les stimuli mécaniques faibles pour déformer ou recruter des protéines lors de la mécanosensibilité cellulaire.

La combinaison (Une combinaison peut être :) de l'étirement cellulaire et de la microscopie de super-résolution permettra de déchiffrer les mécanismes moléculaires à la base du fonctionnement d'autres structures mécanosensibles tels que la membrane cellulaire ou le noyau.

Pour en savoir plus:
Cell stretching is amplified by active actin remodeling to deform and recruit proteins in mechano-sensitive structures.
Massou S,Nunes Vicente F, Wetzel F, Mehidi A,Strehle D, Leduc C, Voituriez R, Rossier O, Nassoy P, Giannone G.
Nature Cell Biology 27 July 2020. https://doi.org/10.1038/s41556-020-0548-2

Laboratoires:

Institut Interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de NeuroSciences (Les neurosciences correspondent à l'ensemble de toutes les disciplines biologiques et médicales qui étudient tous les aspects, tant normaux que pathologiques, des neurones et du...) (IINS) - (CNRS/Université de Bordeaux)
Centre Broca Nouvelle-Aquitaine.
146 rue (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux d'activité économique. Elle met en relation et structure les différents quartiers, s'inscrivant de ce fait dans un...) Léo-Saignat, CS 61292 CASE 130, 33076 Bordeaux cedex, France.

Institut d'Optique d'Aquitaine, Laboratoire Photonique, Numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par...) et Nanosciences (LP2N) - (CNRS/Université de Bordeaux)
1 rue François Mitterrand, F-33405 Talence, France.

Contacts:
- Grégory Giannone - Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) - gregory.giannone at u-bordeaux.fr
- Pierre Nassoy - Directeur de recherche CNRS - pierre.nassoy at u-bordeaux.fr
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