Les gouttelettes de protéines ne sont probablement pas à l'origine de la maladie de Parkinson

Ajoutez du vinaigre à l'huile et agitez : des gouttelettes d'huile se forment. Le concept de séparation de phases liquide-liquide est connu dans la vie quotidienne depuis des générations, mais son existence dans la cellule est devenue l'un des sujets les plus brûlants de la biologie.

Il y a quinze ans, on a découvert que les molécules de protéines pouvaient se condenser en gouttelettes, isolées du cytoplasme de la cellule sans membrane externe. Dans les embryons de vers ronds, on a constaté que les protéines et l'ARN formaient de minuscules gouttelettes qui aidaient à gérer le matériel génétique pendant les premiers stades de la croissance.

Cette découverte a donné naissance à une nouvelle façon de concevoir la cellule. Optimisée par l'évolution, la séparation des phases liquide-liquide pourrait être hautement fonctionnelle. Ces gouttelettes pourraient permettre aux cellules de compartimenter les molécules et de réguler les réactions biochimiques. Maintenant que les yeux se sont ouverts à cette possibilité, les chercheurs les ont trouvées partout : dans le noyau, aidant à organiser l'ADN, formant des granules de stress pour protéger et réguler l'ARNm, et aux extrémités des microtubules, agissant comme une colle moléculaire intelligente pour positionner le noyau en vue de la division cellulaire.

Outre leur importance fonctionnelle, les gouttelettes ont été impliquées dans des maladies. Dans le cas des maladies neurodégénératives caractérisées par la formation d'agrégats de protéines, telles que les maladies d'Alzheimer et de Parkinson, on a supposé que les gouttelettes de protéines étaient un précurseur de l'agrégation pathologique des protéines.

L'idée sous-jacente à cette théorie est que les gouttelettes peuvent concentrer certaines protéines, ce qui pourrait les pousser au point d'agrégation. À l'appui de cette théorie, de nombreuses observations montrent que certaines conditions, telles que la concentration en sel ou le pH, favorisent simultanément l'agrégation et la condensation des protéines. Pourtant, il n'a pas été prouvé que ces deux phénomènes étaient liés, ni même comment ils l'étaient.

Aujourd'hui, dans le cadre de l'exploration la plus complète à ce jour de la relation entre l'agrégation et la séparation de phase liquide-liquide, une équipe de recherche dirigée par l'Institut Paul Scherrer PSI a découvert que la formation de gouttelettes ne provoque pas l'agrégation ; au contraire, elle peut la protéger.

Cinq cents conditions

Les chercheurs ont étudié la protéine alpha-synucléine (ɑSyn), qui s'agglutine pour former les fibrilles amyloïdes qui finissent par entraîner la mort cellulaire chez les patients atteints de la maladie de Parkinson.

Pour établir le véritable lien entre l'agrégation et la formation de gouttelettes, les chercheurs ont méthodiquement étudié le comportement des protéines ɑSyn dans une grande variété de conditions : concentration en protéines, concentration en sel et présence de diverses concentrations d'agents d'encombrement qui imitent l'environnement moléculaire complexe du cytoplasme. Chacune de ces conditions a été étudiée à différentes valeurs de pH.

Au total, les chercheurs ont étudié plus de cinq cents conditions différentes. Pour chaque condition, ils ont suivi la progression de la formation ou de l'agrégation de gouttelettes pendant une période allant jusqu'à quatre mois, en prenant régulièrement des images au microscope optique.

Pour étudier autant de conditions, les chercheurs ont utilisé l'installation de cristallisation robotisée de la Source de Lumière Suisse SLS. Cette technique est généralement utilisée pour préparer des cristaux de protéines en vue d'expériences de cristallographie à rayons X.

"Le fait d'être dans des installations à grande échelle et de travailler avec des scientifiques des lignes de faisceaux nous a permis d'aborder ce problème sous un angle différent", explique Rebecca Sternke-Hoffmann, chercheuse postdoctorale au PSI et première auteure de l'étude. "Il est intéressant de noter que les cristallographes savent depuis très longtemps que les protéines peuvent former des gouttelettes. Ce n'est qu'un élément de plus qu'ils ont observé dans leur recherche du cristal parfait", ajoute Jinghui Luo, scientifique au PSI, qui a dirigé l'étude.

Pour compléter cette histoire macroscopique, les chercheurs ont utilisé des mesures de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) à la Source de Lumière Suisse SLS et ont effectué des simulations pour comprendre l'image microscopique.

Le vinaigre dans l'huile et le vinaigre dans le lait sont des processus différents.

Les expériences méticuleuses ont révélé que les conditions qui donnent lieu à des gouttelettes stables ou à l'agrégation de protéines ne sont pas les mêmes. Contrairement à la théorie conventionnelle selon laquelle les agrégats se forment à partir de gouttelettes, les chercheurs ont démontré la formation indépendante de gouttelettes et d'agrégats d'αSyn dans diverses conditions de protéines, de sels et d'encombrement.

Grâce à leur longue période d'investigation, les chercheurs ont pu voir si les gouttelettes évoluaient réellement en agrégats. La réponse : non, même après 120 jours. En effet, loin de favoriser l'agrégation en fibrilles, les gouttelettes semblent avoir l'effet inverse. Au cours d'incubations prolongées, des fibrilles considérées comme irréversibles se sont transformées en gouttelettes.

"Cette observation indique que les gouttelettes liquides jouent un rôle fonctionnel en empêchant la formation d'agrégats solides dans des conditions spécifiques", explique M. Luo. La compréhension actuelle de la séparation des phases liquide-liquide dans la cellule l'identifie comme une caractéristique hautement évoluée associée à la fonctionnalité, alors que l'agrégation, en particulier dans le cas de l'αSyn, est associée à la maladie. "De ce point de vue, il serait quelque peu surprenant que les gouttelettes de protéines soient des précurseurs de l'agrégation des protéines", suggère-t-il.

Grâce aux mesures SAXS, aux simulations et à l'analyse des séquences, les chercheurs ont pu comprendre les différences observées : l'agrégation est principalement due aux interactions entre les queues des molécules de protéines individuelles, tandis que la séparation des phases liquide-liquide est due aux interactions entre les différentes molécules de protéines.

Pour rapprocher cette découverte de l'analogie entre l'huile et l'eau, il suffit d'ajouter du vinaigre à l'huile pour que celle-ci forme des gouttelettes. Ajoutez du vinaigre au lait et des agrégats durs de protéines se forment. Bien que le vinaigre soit le coupable dans les deux cas, des processus très différents régissent l'agrégation et la formation de gouttelettes.

Nouvelle compréhension moléculaire des maladies neurodégénératives

Une meilleure compréhension de l'interaction complexe entre l'agrégation des protéines et la séparation des phases liquide-liquide est importante non seulement pour la maladie de Parkinson, mais aussi pour d'autres maladies neurodégénératives caractérisées par l'agrégation des protéines, notamment la maladie d'Alzheimer, la maladie de Huntingdon et la maladie de Creutzfeldt-Jakob. Cela pourrait déboucher sur de nouveaux traitements.