La microscopie cryoélectronique révèle comment les microdomaines membranaires répondent au stress mécanique

Les membranes cellulaires jouent un rôle crucial dans le maintien de l’intégrité et de la fonctionnalité des cellules. Cependant, les mécanismes par lesquels ils remplissent ces rôles ne sont pas encore entièrement compris. Des scientifiques de l’Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec l’Institut de biologie structurée de Grenoble (IBS) et l’Université de Fribourg (UNIFR), ont utilisé la cryomicroscopie électronique pour observer comment les lipides et les protéines interagissent au niveau de la membrane plasmique et répondre aux contraintes mécaniques. Ce travail montre que de petites régions membranaires peuvent stabiliser différents lipides en fonction des conditions pour déclencher des réponses cellulaires spécifiques. Ces découvertes, publiées dans la revue Natureconfirment l’existence de domaines lipidiques bien organisés et commencent à révéler le rôle qu’ils jouent dans la survie cellulaire.

Les cellules sont entourées d’une membrane – la membrane plasmique – qui fait office de barrière physique mais doit aussi être malléable. Ces propriétés sont données par les composants des membranes – lipides et protéines – dont l’organisation moléculaire varie en fonction du milieu extérieur. Ces dynamiques sont essentielles au fonctionnement de la membrane, mais doivent être délicatement équilibrées pour garantir que la membrane ne devienne ni trop tendue ni trop détendue. On pense que la façon dont les cellules détectent les changements dans les propriétés biophysiques de la membrane plasmique implique des microrégions sur la membrane – appelées microdomaines – qui sont supposées avoir un contenu et une organisation spécifiques en lipides et en protéines.

Microscopie cryoélectronique haute résolution

L’équipe dirigée par Robbie Loewith, professeur titulaire au Département de biologie moléculaire et cellulaire de la Faculté des sciences de l’UNIGE, s’intéresse à la façon dont les composants de la membrane plasmique interagissent entre eux pour garantir que les propriétés biophysiques globales de la membrane restent optimisées pour la croissance et la survie des cellules.

«Jusqu’à présent, avec les techniques disponibles, nous n’avons pas pu étudier les lipides dans leur environnement naturel au sein des membranes.» «Grâce au Centre d’imagerie Dubochet (DCI) des Universités de Genève, Lausanne, Berne et EPFL, nous avons pu capable de relever ce défi maîtriser l’utilisation de la cryomicroscopie électronique », explique Robbie Loewith. Cette technique permet de congeler des échantillons à -200°C pour capturer les membranes dans leur état natif, qui peuvent ensuite être observées au microscope électronique.

Les scientifiques ont utilisé de la levure de boulanger (Saccharomyces cerevisiae), un organisme modèle utilisé dans de nombreux laboratoires de recherche car très facile à reproduire et à manipuler génétiquement. De plus, la plupart de ses processus cellulaires fondamentaux reflètent ceux des organismes supérieurs. Cette étude s’est concentrée sur un microdomaine membranaire spécifique entouré d’une enveloppe protéique appelée eisosomes. On pense que ces structures sont capables de séquestrer ou de libérer des protéines et des lipides pour aider les cellules à résister et/ou à signaler des dommages à la membrane, en utilisant des processus actuellement inconnus.

« Pour la première fois, nous avons réussi à purifier et à observer des eisosomes contenant des lipides membranaires plasmiques à l’état naturel. » « C’est une véritable avancée dans notre compréhension de leur fonctionnement. »

Markku Hakala, chercheur postdoctoral au Département de biochimie de la Faculté des sciences de l’UNIGE et co-auteur de l’étude

Conversion d’un signal mécanique en signal chimique

Grâce à la cryomicroscopie électronique, les scientifiques ont observé que l’organisation lipidique de ces microdomaines change en réponse à des stimuli mécaniques. « Nous avons constaté que l’arrangement complexe des lipides dans les microdomaines change lorsque le réseau protéique des eisosomes est étiré. Cette réorganisation des lipides permet probablement la libération de molécules de signalisation séquestrées pour déclencher des mécanismes d’adaptation au stress. “Notre étude révèle un mécanisme moléculaire par lequel le stress mécanique peut être traduit en signaux biochimiques via des interactions protéines-lipides avec des détails sans précédent”, s’enthousiasme Jennifer Kefauver, chercheuse postdoctorale au Département de biologie moléculaire et cellulaire et première auteure de l’étude.

Ces travaux ouvrent de nombreuses nouvelles opportunités pour étudier le rôle primordial de la compartimentation membranaire, c’est-à-dire le mouvement des protéines et des lipides à l’intérieur des membranes pour former des sous-compartiments appelés microdomaines. Ce mécanisme permet aux cellules de réaliser des fonctions biochimiques spécifiques, notamment l’activation des voies de communication cellulaire en réponse aux différents stress auxquels elles peuvent être exposées.