Souvent décrit comme le moteur du corps, le cœur humain est un organe remarquable qui bat sans relâche pour nous maintenir en vie. Au cœur de cet organe vital, des processus complexes se déroulent lors de la contraction au cours desquels des filaments protéiques épais et minces interagissent dans le sarcomère, l’élément de base des cellules du muscle squelettique et cardiaque. Toute modification des protéines des filaments épais peut avoir de graves conséquences sur notre santé, entraînant des affections telles que la cardiomyopathie hypertrophique et diverses autres maladies cardiaques et musculaires.
Dans le cadre d’une réalisation scientifique remarquable, une équipe internationale dirigée par Stefan Raunser, directeur de l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire à Dortmund, en collaboration avec Mathias Gautel du King’s College de Londres, a franchi une étape révolutionnaire. Grâce à une technique de pointe appelée cryotomographie électronique, ils ont réussi à créer la première image 3D haute résolution au monde de l’épais filament dans son environnement cellulaire naturel. Cette performance sans précédent donne un aperçu de l’organisation moléculaire et de la disposition des composants au sein du filament épais. Cette nouvelle découverte n’est rien de moins qu’un cadre crucial pour comprendre le fonctionnement des muscles, à la fois en bonne santé et en maladie. En comprenant ces mécanismes complexes, les scientifiques sont désormais mieux à même de développer des approches pharmacologiques et des traitements innovants ciblant les maladies cardiaques et musculaires, révolutionnant potentiellement l’intervention médicale dans ces domaines.
Fibrillation auriculaire, insuffisance cardiaque et accident vasculaire cérébral : la cardiomyopathie hypertrophique peut entraîner de nombreux problèmes de santé graves et constitue l’une des principales causes de mort subite d’origine cardiaque chez les personnes de moins de 35 ans. « Le muscle cardiaque est un moteur central du corps humain. Bien sûr. » « Il est plus facile de réparer un moteur cassé si l’on sait comment il est construit et comment il fonctionne », explique Stefan Raunser. « Au début de nos recherches musculaires, nous avons réussi à visualiser la structure des éléments constitutifs musculaires essentiels et leur interaction grâce à la cryomicroscopie électronique. Cependant, il s’agissait d’enregistrements statiques de protéines prélevées sur des cellules vivantes. « Ils nous disent très peu de choses sur la façon dont l’interaction dynamique très variable des composants musculaires déplace le muscle dans son environnement naturel », explique Raunser.
À travers toutes les épreuves
Les muscles squelettiques et cardiaques se contractent grâce à l’interaction de deux types de filaments protéiques parallèles dans le sarcomère : fins et épais. Le sarcomère est divisé en plusieurs régions, appelées zones et bandes, dans lesquelles ces filaments sont disposés différemment. Le mince filament est constitué de F-actine, de troponine, de tropomyosine et de nébuline. Le filament épais est constitué de myosine, de titine et de protéine C liant la myosine (MyBP-C). Ces derniers peuvent former des connexions entre les filaments, tandis que la myosine, appelée protéine motrice, interagit avec le mince filament pour générer de la force et une contraction musculaire. Les modifications des protéines des filaments épais sont associées à des maladies musculaires. Une image détaillée du filament épais serait d’une immense importance pour le développement de stratégies thérapeutiques visant à guérir ces maladies, mais elle fait jusqu’à présent défaut.
Jalons de la recherche musculaire
« Si vous voulez comprendre pleinement le fonctionnement du muscle au niveau moléculaire, vous devez imaginer ses composants dans leur environnement naturel – l’un des plus grands défis de la recherche biologique aujourd’hui qui ne peut être surmonté avec les approches expérimentales traditionnelles », explique Raunser. Pour surmonter cet obstacle, son équipe a développé un workflow de cryotomographie électronique spécifiquement adapté à l’étude d’échantillons musculaires : des scientifiques congèlent en un éclair des échantillons de muscle cardiaque de mammifères produits par le groupe Gautel à Londres à très basse température (- 175 °C). Cela signifie que leur hydratation et leur structure fine et donc leur état d’origine sont préservés. Un faisceau d’ions focalisé (fraisage FIB) est ensuite appliqué pour affiner les échantillons jusqu’à une épaisseur idéale d’environ 100 nanomètres pour le microscope électronique à transmission, qui capture plusieurs images lorsque l’échantillon est incliné le long d’un axe. Enfin, des méthodes informatiques reconstruisent une image tridimensionnelle à haute résolution. Ces dernières années, le groupe de Raunser a appliqué avec succès le flux de travail sur mesure, aboutissant à deux publications révolutionnaires récentes : ils ont produit les premières images haute résolution du sarcomère et d’une protéine musculaire auparavant nébuleuse appelée nébuline. Les deux études fournissent des informations sans précédent sur l’organisation 3D des protéines musculaires dans le sarcomère, par ex. B. comment la myosine se lie à l’actine pour contrôler la contraction musculaire et comment la nébuline se lie à l’actine pour la stabiliser et déterminer sa longueur.
Achèvement du tableau
Dans leur étude actuelle, les scientifiques ont créé la première image haute résolution de l’épais filament cardiaque qui s’étend sur plusieurs régions du sarcomère. « Avec 500 nm de long, il s’agit de la structure la plus longue et la plus grande jamais résolue par cryo-ET », explique Davide Tamborrini du MPI Dortmund, premier auteur de l’étude. Les nouvelles connaissances acquises sur l’organisation moléculaire du filament épais et donc sur sa fonction sont encore plus impressionnantes. La disposition des molécules de myosine dépend de leur position dans le filament. Les scientifiques soupçonnent que cela permet au filament épais de percevoir et de traiter de nombreux signaux de régulation musculaire et ainsi de réguler la force de contraction musculaire en fonction de la région du sarcomère. Ils ont également révélé comment les chaînes de titine parcourent le filament. Les chaînes de titine s’entrelacent avec la myosine, agissant comme un échafaudage pour son assemblage et contrôlant probablement l’activation du sarcomère en fonction de la longueur.
« Notre objectif est de dresser un jour un tableau complet du sarcomère. L’image du filament épais dans cette étude n’est « qu’ » un instantané de l’état détendu du muscle. Comprendre parfaitement comment fonctionne le sarcomère et comment il est régulé. » « Nous voulons l’analyser dans différents états, par exemple lors de la contraction », explique Raunser. La comparaison avec des échantillons provenant de patients atteints de maladies musculaires contribuera à terme à une meilleure compréhension de maladies telles que la cardiomyopathie hypertrophique et au développement de thérapies innovantes.