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L'encombrement protéique limite la signalisation intracellulaire

Dans une cellule trop petite, les protéines s'entremêlent et ne peuvent plus se déplacer librement, impactant directement la dynamique des processus de signalisation cellulaire. Ce résultat démontre que pour qu'une cellule fonctionne normalement, sa taille doit être précisément adaptée à son contenu protéique. Publiée dans PNAS, cette étude a été menée par des chercheurs du Laboratoire de matière et systèmes complexes (MSC, CNRS/Université Paris Diderot), en association avec le laboratoire Compartimentation et dynamique cellulaires (CNRS/Institut Curie), l'Institut Jacques Monod (CNRS/Université Paris Diderot), l'Université de Princeton et l'Université nationale de Singapour.

L'intérieur d'une cellule est densément peuplé par un grand nombre de protéines et de macromolécules. Ces mêmes protéines ont besoin de se déplacer dans le cytoplasme pour interagir entre elles et assurer leur rôle de messager dans des cascades de signalisation.

Les conséquences de l'encombrement protéique sur le fonctionnement d'une cellule sont difficiles à apprécier in vivo en raison du haut niveau de complexité et d'hétérogénéité des cellules. Il a cependant été démontré in vitro qu'un encombrement trop important peut gêner la diffusion des protéines et ralentir les fonctions cellulaires qu'elles régissent. A l'inverse, si la densité protéique est faible, la cinétique des réactions biochimiques est limitée par le temps qu'il faut aux protéines pour se rencontrer et réagir. Théoriquement, il existerait donc une densité optimale de protéines maximisant la vitesse moyenne des réactions cellulaires. C'est ce qu'ont proposé des chercheurs américains dans un article publié dans PNAS en 2009 (1). Leur analyse est d'autant plus pertinente que l'existence d'un optimum pour la densité macromoléculaire est naturellement reliée à la question, toujours débattue, de ce qui détermine la taille d'une cellule.

L'équipe de Pascal Hersen au MSC travaille sur les mécanismes biophysiques de la réponse au stress osmotique chez la levure Saccharomyces cerevisiae. La première conséquence d'un tel stress est la diminution du volume cellulaire et l'augmentation de la densité protéique à l'intérieur de la cellule. La seconde est l'activation de la voie de signalisation HOG, qui orchestre l'adaptation de la cellule au stress osmotique. Les cellules soumises à un stress osmotique léger sont capables d'activer cette cascade de signalisation en seulement quelques minutes, alors que les cellules fortement comprimées par un stress osmotique intense mettent environ dix fois plus de temps pour délocaliser le facteur de transcription Hog1p dans le noyau, étape finale de l'activation de la voie HOG.

Suite à ces observations, les chercheurs se sont intéressés aux effets de la modification du volume cellulaire sur la cinétique des réactions biochimiques de la levure. Ils ont plus précisément étudié la dynamique de translocation nucléaire de différents facteurs de transcription lorsque les cellules étaient à la fois stimulées en vue d'activer ces facteurs et comprimées par un stress osmotique. Dans tous les cas, la dynamique de translocation nucléaire s'est montrée ralentie face à une augmentation de la compression cellulaire. Des analyses quantitatives de diffusion par FRAP (2) ont confirmé que la mobilité des protéines est progressivement réduite à mesure que le volume cellulaire diminue. De manière surprenante, les scientifiques ont constaté que pour des chocs osmotiques sévères, obtenus en doublant la concentration en sorbitol traditionnellement utilisée pour étudier la réponse osmotique, les protéines ne diffusent plus : les cellules, dont le volume est approximativement divisé par deux, sont « gelées ».

Ainsi, lorsque le niveau de compression augmente, la dynamique des processus biologiques est ralentie jusqu'au point d'être abolie. Ce ralentissement augmente exponentiellement au fur et à mesure que le volume diminue, ce qui rappelle le cas bien connu en physique statistique hors équilibre des transitions colloïdales (3). En effet, lorsque la densité en particules d'une solution colloïdale devient trop forte, le système se fige et ne présente plus que des dynamiques de relaxation très lentes. L'existence d'un tel comportement montre qu'il est particulièrement important pour les cellules de réguler leur taille précisément afin d'éviter d'être complètement paralysées par des variations de volume imprévues.

Ces résultats font échos aux travaux des chercheurs américains, en appuyant l'idée que les cellules fonctionnent avec un contenu protéique optimal. Ceci impose notamment aux cellules de travailler avec un nombre maximum de protéines pour une taille donnée, reliant indirectement la taille du génome à la taille cellulaire.

Figure : Cellules de levures de quelques microns de diamètre, soumises à un stress osmotique léger (en haut) ou sévère (en bas). Deux minutes après un stress osmotique léger, le facteur de transcription Hog1p devient visible dans le noyau des cellules (en haut, à droite). En revanche, aucune localisation nucléaire n'est observée après un choc sévère (en bas, à droite). Le facteur de transcription Hog1p n'apparait dans le noyau des cellules fortement comprimées par un choc osmotique qu'après une trentaine de minutes. © MSC, Pascal Hersen



Notes

  • (1) Physical limits of cells and proteomes, Ken Dill, Kingshuk Ghosh, Jeremy Schmit, PNAS (2011), 108(44):17876–17882, doi:10.1073/pnas.1114477108.
  • (2) La redistribution de fluorescence après photoblanchissement (FRAP) est une technique utilisée en microscopie pour mesurer la vitesse de diffusion des molécules. Elle est fréquemment employée pour étudier la mobilité moléculaire dans des cellules vivantes.
  • (3) Universal behavior of the osmotically compressed cell and its analogy to the colloidal glass transition, Enhua Zhou, Xavier Trepat, Chan-Young Park, Guillaume Lenormand, Madavi Oliver, Surba Mijailovich, Charles Hardin, David Weitz, James Butler, Jeffrey Fredberg, PNAS (2009), 106(26):10632–10637, doi:10.1073/pnas.0901462106.

Références :

  • Severe osmotic compression triggers a slowdown of intracellular signaling, which can be explained by molecular crowding, Agnès Miermont, François Waharte, Shiqiong Hu, Megan Nicole McClean, Samuel Bottani, Sébastien Léon, Pascal Hersen, PNAS (2013), doi:10.1073/pnas.1215367110.

Contacts :

  • Pascal Hersen
    http://www.tinyurl.com/MSC-lab513
    Laboratoire de matière et systèmes complexes (MSC)
    UMR7057 CNRS/Université Paris Diderot
    Université Paris Diderot
    Bâtiment Condorcet - CC 7056
    10 rue Alice Domon et Léonie Duquet
    75205 Paris Cedex 13