Pour une cellule, les membranes compartimentent la vie. La membrane cellulaire, qui enveloppe toute la cellule, sépare physiquement l’intérieur de la cellule de l’espace extracellulaire. Mais ce n’est pas seulement une partition: la membrane cellulaire médie le transport des ions qui régulent le déclenchement neuronal, fournit un site d’amarrage pour les molécules de signalisation qui permettent aux cellules de communiquer entre elles et contient des molécules qui permettent au système immunitaire d’identifier une cellule comme « soi » plutôt que « non-soi ». »Dans l’intérieur complexe de la cellule, les compartiments liés à la membrane effectuent des processus biochimiques critiques, tels que le traitement des protéines et la production d’énergie.
Malgré leur importance, il reste encore beaucoup à apprendre sur les membranes. Parce que les lipides et les protéines qui forment les membranes se déplacent constamment, se déplacent et se réorganisent pour répondre aux besoins de la cellule, l’étude des membranes est extrêmement difficile. Ce dynamisme freine les scientifiques car les techniques expérimentales traditionnelles, comme la cristallographie, ne fonctionnent pas bien avec une membrane fluide, explique le professeur de physique Mathias Lösche.
» Les membranes sont intrinsèquement désordonnées. Si vous voulez étudier quelque chose en utilisant la cristallographie, vous devez le cristalliser pour l’étudier avec des rayons X. Vous avez donc besoin d’une structure ordonnée qui se répète encore et encore. C’est quelque chose que vous ne pouvez pas faire avec les membranes, vous devez donc concevoir de nouvelles techniques de caractérisation et de nouvelles approches, à la fois en physique et en biologie expérimentales et théoriques, afin d’étudier ces problèmes. »
Les scientifiques de MCS ont inventé et utilisent une suite d’outils pour acquérir une connaissance plus approfondie des propriétés moléculaires des membranes. Ce travail a des implications importantes pour comprendre le comportement normal des cellules et ce qui ne va pas dans des maladies comme le VIH, la maladie d’Alzheimer et les dysfonctionnements du traitement des protéines qui conduisent au cancer et aux troubles neurologiques.
Se faufiler Devant la Sentinelle cellulaire
La membrane externe de la cellule agit comme une porte, empêchant les intrus d’envahir la cellule. Mais les virus, comme le VIH, parviennent à se faufiler à travers la barrière protectrice de la cellule. Stephanie Tristram-Nagle, professeure agrégée de recherche en physique biologique, et son collaborateur John Nagle, professeur de physique et de sciences biologiques, ont récemment fait une découverte importante qui aide à comprendre pourquoi le VIH est capable d’accéder aux cellules immunitaires avec une telle facilité apparente.
Les scientifiques savent depuis plus de 20 ans que le VIH fusionne avec les cellules immunitaires via la gp41, une protéine située à la surface du virus. Bien que les scientifiques disposent d’images radiographiques de gp41 avant et après sa fusion avec la membrane cellulaire, comprendre précisément ce qui se passe pendant la fusion était un mystère, jusqu’à présent.
Tristram-Nagle et Nagle ont préparé des piles de milliers de bicouches lipidiques entièrement hydratées en utilisant une nouvelle méthode développée dans leur laboratoire. Les lipides en bas de l’empilement sont fixés sur un support solide, conférant à la membrane modèle la stabilité nécessaire pour être étudiée expérimentalement, tandis que les bicouches lipidiques en haut de l’empilement conservent leur fluidité naturelle, une exigence clé pour tout système modèle biologiquement pertinent. Tristram-Nagle a ensemencé les membranes artificielles avec le peptide de fusion du VIH 23 (FP-23), une courte portion de gp41 connue pour jouer un rôle clé dans la fusion virale. En utilisant la technique de diffusion diffuse des rayons X qu’ils ont mise au point, Tristram-Nagle et Nagle ont quantifié les propriétés structurales des bicouches lipidiques en présence de FP-23. Après avoir analysé les données de rayons X diffus, ils ont constaté que le FP-23 diminue considérablement l’énergie nécessaire pour plier la membrane, ce qui facilite grandement la fusion du virus avec les cellules immunitaires et les infecte.
« Dans les cellules, les membranes se plient tout le temps, ce qui nécessite de l’énergie », a déclaré Tristram-Nagle. « Nous avons constaté que l’énergie nécessaire pour plier la membrane était considérablement réduite – jusqu’à 13 fois – lorsque nous avons ajouté le FP-23. Cela devrait aider à expliquer, en partie, comment l’infection par le VIH se produit si facilement. »
Une nouvelle tournure à un Débat centenaire
Dans son rôle de garde-porte, la membrane cellulaire régule le trafic moléculaire entrant et sortant de la cellule via des protéines membranaires spécialisées. Les canaux ioniques, protéines qui couvrent la membrane cellulaire, en sont un exemple important. En régulant les ions qui entrent et sortent de la cellule, les canaux ioniques sont un composant essentiel dans l’initiation et la propagation des impulsions électriques dans les cellules nerveuses. Un dysfonctionnement du canal ionique lui-même ou de la membrane dans laquelle il réside peut entraîner divers troubles neurologiques, y compris la maladie d’Alzheimer.
Dans le cerveau des personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer se trouvent des plaques insolubles contenant des peptides mal repliés appelés bêta-amyloïdes (Aß). Les plaques Aß s’accumulent entre les cellules nerveuses et sont impliquées dans la maladie depuis qu’Alois Alzheimer les a découvertes il y a 100 ans. Ces dernières années, les scientifiques ont émis l’hypothèse que les oligomères Aß – des agrégats d’Aß intermédiaires entre le peptide unique et les plaques matures – interagissent d’une manière ou d’une autre avec les membranes des cellules nerveuses, mais le mécanisme réel de toxicité cellulaire reste incertain.
« Nous savons que les oligomères Aß interagissent fortement avec les membranes et interfèrent avec leur capacité à préserver les gradients d’ions entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule. Cependant, il reste un énorme défi de déterminer si les oligomères Aß font réellement un trou dans la membrane ou s’ils affectent les propriétés de la membrane juste assez pour modifier les propriétés critiques des canaux membranaires » explique Lösche.
Grâce aux techniques de diffusion de neutrons, Lösche et ses collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST) étudient comment Aß interagit avec des modèles de membranes synthétiques appelés « membranes lipidiques bicouches attachées » (tBLMs). Les TBLM sont constitués d’une bicouche lipidique liée chimiquement à un substrat solide, par example une plaquette de silicium, via des attaches polymères.
» Ces membranes attachées sont très puissantes car extrêmement stables. Nous pouvons les manipuler et les mesurer sur de longues périodes. C’est extraordinaire pour un feuillet extrêmement fragile de matériau fluide d’une épaisseur de 5 nanomètres « , a déclaré Lösche.
En collaboration avec des chimistes de l’Université de Californie à Irvine, l’équipe de Lösche a incubé des TBLM avec des oligomères Aß et a étudié la réponse structurelle et fonctionnelle de la membrane au Centre de recherche sur les neutrons du NIST à Gaithersburg, Md. Ils ont observé une dégradation des propriétés isolantes de la bicouche lipidique, ce qui provoque une fuite d’ions dans la membrane. Mais la signature de la fuite membranaire est distincte de celle d’autres dysfonctionnements membranaires, que le groupe de Lösche a étudiés en détail. Par exemple, certaines bactéries libèrent une toxine, l’alpha-hémolysine, qui s’insère dans les membranes des cellules hôtes, formant des canaux qui provoquent des fuites d’ions remplies d’eau. En comparant le mode de fonctionnement de l’alpha-hémolysine à celui de l’Aß, il devient clair que les oligomères de l’Aß ne se contentent pas de « percer des trous » dans la membrane, selon Lösche.
Le groupe de Lösche étend maintenant ce travail en collaboration avec Markus Deserno, professeur agrégé de physique, qui développe des modèles informatiques de membranes cellulaires.
« On peut faire beaucoup avec des expériences, mais en raison du désordre intrinsèque de la membrane biologique, il est impossible de regarder tous les aspects du détail atomique ou de la dynamique moléculaire. Ces choses peuvent être faites sur un ordinateur « , explique Deserno.
Deserno et ses collègues de l’Institut Max Planck de recherche sur les polymères à Mayence, en Allemagne, ont créé une simulation informatique qui suit le comportement d’une membrane artificielle composée de 50 000 molécules lipidiques individuelles. Chaque molécule lipidique est simplement représentée par trois sphères.
» Notre modèle est à gros grains « , explique Deserno. « Vous pouvez le considérer comme une peinture impressionniste. À distance, tout a l’air bien. Vous pouvez voir des nénuphars ou des ballerines. Mais de près, tous les détails ont disparu; vous voyez juste des taches de couleur. Nous nous intéressons à ce qui se passe avec les nénuphars, pas aux taches de couleur « , dit-il.
Avec ce modèle à gros grains, Deserno peut capturer des caractéristiques importantes, comme la façon dont la membrane se plie et se courbe, ce qui lui permet de poser des questions qui sont au-delà du niveau atomique mais inférieures au niveau sur une cellule entière. Son modèle est également polyvalent; il peut ajouter des protéines spécifiques d’intérêt à la membrane lipidique et observer comment elles interagissent. L’étape suivante pour Deserno et Lösche consiste à ensemencer la membrane artificielle dans le modèle informatique de Deserno avec des protéines Aß pour obtenir plus d’indices sur la façon dont Aß endommage la membrane.
Lié à la membrane
La membrane externe de la cellule n’est pas la seule membrane à effectuer des processus critiques de maintien de la vie. Les cellules compartimentent leurs intérieurs en organites liés à la membrane, tels que le réticulum endoplasmique (ER) et l’appareil de Golgi, pour effectuer diverses tâches – telles que la production de protéines – plus efficacement.
Mais la membrane d’un organite est bien plus qu’une simple barrière. Les membranes jouent un rôle clé dans le transport des protéines de l’ER vers l’appareil de Golgi, dans le Golgi, puis du Golgi vers leur destination finale dans la cellule.
« De nombreuses maladies surviennent en cas de dysfonctionnement du trafic membranaire », a déclaré Adam Linstedt, professeur de sciences biologiques. Les chercheurs ont découvert que des dizaines de troubles génétiques humains résultent de défauts dans le trafic membranaire, y compris plusieurs maladies neurodégénératives et troubles du développement.
Linstedt, en collaboration avec Christina Lee, professeure adjointe en sciences biologiques, étudie les voies de trafic membranaire dans le Golgi et l’ER et en apprend beaucoup sur la structure des organites en cours de route.
Linstedt a identifié un groupe de protéines impliquées dans la formation du ruban de Golgi, une structure complexe de sous-compartiments de Golgi, ou empilements, interconnectés par des tubules. Les piles et les enzymes qu’elles contiennent fonctionnent comme une chaîne de montage, traitant des milliers de protéines et de lipides nouvellement synthétisés se déplaçant à travers le Golgi. Lorsqu’une protéine nouvellement synthétisée se déplace dans une pile, les enzymes modifient la protéine en ajoutant des composants tels que des glucides ou des phosphates. Au moment où la protéine quitte le Golgi, elle a été entièrement traitée. En utilisant une technique appelée interférence ARN, Linstedt a inhibé l’expression des protéines Golgi GM130 et GRASP65 et a constaté que les piles de Golgi ne se réunissaient pas en un ruban. Dans les cellules sans ruban, Linstedt a constaté que certaines des piles non liées avaient des niveaux plus élevés d’enzymes tandis que d’autres avaient des niveaux plus faibles, contrairement à lorsque les piles sont orientées dans un ruban et ont une distribution égale des enzymes de Golgi. Des niveaux uniformes d’enzymes pourraient être critiques, selon Linstedt, car les cellules avec un ruban de Golgi non lié avaient des protéines sous-traitées. Une altération du traitement peut entraîner de graves anomalies du développement chez divers organismes, de la souris à l’homme.
» Personne ne savait à quoi servait le ruban « , ex-plains Linstedt. « Maintenant, nous avons une explication – le ruban est important pour équilibrer la concentration en enzymes sur l’ensemble du réseau membranaire et est nécessaire au traitement correct des protéines. »
Le Golgi joue un rôle important dans le traitement final des protéines, mais les protéines sont initialement assemblées dans l’ER, un réseau membraneux unique et continu qui s’étend du noyau à la membrane cellulaire. Lee adopte une approche biochimique pour étudier l’ER, briser les cellules ouvertes et se laver avec du sel, ce qui élimine les molécules liées électrostatiquement à la membrane de l’ER. Après avoir testé ces molécules une à la fois pour voir leur effet sur la membrane ER, Lee a identifié un facteur clé impliqué dans la formation d’un réseau ER étendu. Le facteur, une variante de l’enzyme nucléoside diphosphate kinase (NDKB), était déjà connu pour fonctionner dans les cellules mais n’avait pas été connecté à la morphologie membranaire. Il s’avère que NDKB se lie directement aux phospholipides acides dans la membrane ER et peut s’assembler pour former un échafaudage qui stabilise le réseau membranaire étendu.
« Il y a un flux énorme de membrane qui commence dans les URGENCES et se déplace vers la surface cellulaire », explique Linstedt. « Une grande partie de ce flux membranaire est générée par la formation de vésicules à partir d’un compartiment et la fusion avec le compartiment suivant. Si nous comprenions mieux ces processus, nous pourrions cibler les voies du trafic membranaire pour lutter contre les maladies. »Alors que les scientifiques de la SCM utilisent les outils de la biologie pour comprendre la fonction cellulaire de base et les outils de la physique pour démêler les propriétés physiques des membranes, ils se rapprochent un peu plus de la compréhension du fonctionnement des membranes dans la santé et la maladie.
« Je crois que si les biologistes, les physiciens, les ingénieurs et les mathématiciens réfléchissent tous ensemble, nous arriverons à de nouvelles idées beaucoup plus rapidement et avec plus de confiance », a déclaré Deserno.
