Mots clés : Bionum, MEG
Etiquettes: Agrégats protéiques, Alzheimer, BioID, Charcot, interactome, Maladies neurodégénératives, Parkinson, SLA
Les terribles événements qui surviennent au CellFest causent chaque année la mort de milliers de personnes atteintes de maladies neurodégénératives, dont le célèbre physicien Stephen Hawking. Grâce aux enquêteurs de la DGSE (la Direction des Grands Scientifiques Expérimentés), nous savons maintenant que ces morts sont causées par des pogos qui dégénèrent (ici). En avant-première, nous vous dévoilons l’innovante technique utilisée pour identifier les responsables de ces pogos.
Charcot, Alzheimer, Parkinson, ces diagnostics peuvent être terrifiants. Ces maladies incurables affectent des milliers de personnes chaque année. Leur cause ? La présence d’agrégats destructeurs1 dans les cellules nerveuses, ce qui les tue. La cellule, c’est le CellFest, un festival auquel participent des milliers de protéines. Parmi ces protéines, certaines peuvent lancer un pogo et s’agrègent alors. Ces agrégats mettent le bazar dans la cellule, gâchent le festival, et causent des dégâts irréversibles. Impuissante, celle-ci meurt de façon tragique.
Pogo au CellFest. Par Gaël Fortin (Image : France 3 Pays de la Loire)
Y-a-t-il un espoir pour empêcher la formation des agrégats ? C’est la question que se pose l’équipe d’enquêteurs de la DGSE. Les détectives travaillent sur les pogos à l’origine de maladies neurodégénératives et en particulier de la SLA (la Sclérose Latérale Amyotrophique), connue en France sous le nom de maladie de Charcot3. C’est de cette maladie qu’est mort le célèbre physicien Stephen Hawking.
Une opération de grande envergure est mise au point par la DGSE4. Nous avons eu accès au document confidentiel qui la récapitule :
Dossier de présentation de l’opération ‘Neur-ON’. Par Maëlys Born-Bony
Si vous n’êtes pas à l’aise avec les notions de protéines, transcription et traduction nous vous conseillons de jeter un petit coup d’œil par ici pour mieux comprendre la suite.
Phase 1 : Infiltration de BirA au CellFest
[J-15 : Vendredi 7 juin. 9h. Préparation de l’opération]
Au QG de la DGSE, c’est l’agent BirA qui est choisie pour ses talents de super espionne. Elle sait marquer des suspects avec des bracelets aimantés sans jamais être démasquée. En effet, BirA a pris la spécialité “Biotine ligase” au cours de sa formation : elle utilise la biotine pour marquer les autres protéines à sa proximité. Cette biotine devra lui être fournie par la DGSE durant l’opération.
Habituellement, l’espionne BirA fréquente la BactoParade (le festival des cellules bactériennes). Mais cette année, la DGSE a une mission pour BirA : les enquêteurs veulent l’envoyer au CellFest, dans des cellules de mammifères. Ils préparent donc son infiltration dans ce nouvel environnement5.
Pour cela, ils décident d’introduire la séquence ADN codant BirA dans les cellules de mammifères et la collent à celle codant TDP-43 (le suspect N°1 dans cette affaire, ici). Ainsi, les deux protéines normalement distinctes n’en forment plus qu’une, appelée BirA-TDP-43. Cette stratégie est bien connue des services de renseignement : cela s’appelle produire une protéine de fusion (ou protéine chimère). Grâce à cette technique, BirA peut entrer au CellFest sans quitter TDP-43 et pourra donc repérer efficacement les participants du pogo pour la DGSE.
Schéma 1 : Stratégie de fusion des protéines BirA et TDP-43. Par Maëlys Born-Bony, CC-NC-BY
Phase 2 : BirA passe à l’action
[J-1 : Vendredi 21 juin. 21h. Fin des préparatifs]
Le CellFest va bientôt démarrer, les agents de la DGSE injectent donc l’ADN BirA-TDP-43 dans le festival cellulaire6. Parachuté au milieu du CellFest, l’agent spécial n’a pas besoin de passer les contrôles de sécurité à l’entrée. Une fois dans le festival, la protéine de fusion BirA-TDP-43 est produite (plus d’informations dans les suppléments) et l’espionne peut alors agir sans crainte d’être démasquée.
[J-J : Samedi 22 juin. 21h. Début de l’opération]
Soudain, les protéines TDP-43 se regroupent, lançant alors le pogo (ici). La formation de ce rassemblement n’est pas due au hasard et les enquêteurs le savent bien. Pour être fonctionnelle, une protéine doit avoir une structure particulière dans l’espace. Mais le CellFest regorge de substances en tout genre, pouvant amener les protéines à perdre le contrôle et leur structure. Elles ne remplissent alors plus leur fonction et préfèrent s’agréger entre elles dans un pogo qui comprommet l’intégrité du CellFest.
Schéma 2 : Formation du pogo. Par Yannis Belloucif, CC-NC-BY
Rapidement, le nombre de protéines participant au pogo augmente. La DGSE fait alors entrer clandestinement les bracelets aimantés de biotine dans le festival. BirA les récupère et les distribue aux protéines qui interagissent avec TDP-43 dans le pogo. Cependant, elle ne les distribue pas n’importe comment : tout comme vous ne portez un bracelet qu’au poignet, BirA ne cible que certains acides aminés des protéines. L’ensemble des participants au pogo se retrouve ainsi marqué par des bracelets de biotine, ce qui facilitera leur identification par les agents.
Phase 3 : Évacuation du festival
[J-J : Samedi 22 juin. 23h45]
La situation dégénère au CellFest, perturbé par le pogo. C’est le moment pour les enquêteurs d’identifier les complices de TDP-43 grâce au GIGN (l’équipe de Gestion de l’Isolation des Groupes protéiques Néfastes).
Le groupe d’intervention est armé de produits chimiques et de centrifugeuses. Grâce à eux, toutes les protéines du festival sont emmenées de force dans la gendarmerie la plus proche, qu’elles aient participé ou non au pogo. A l’issu de la violente intervention du GIGN, le CellFest s’arrête car toutes les cellules sont détruites (on dit qu’elles sont lysées).
Une fois les protéines récupérées, les enquêteurs doivent réussir à isoler les participants du pogo parmi les milliers de personnes présentes au festival. Pour ce faire, les protéines sont installées dans une grande salle de la gendarmerie, et des agents de la DGSE, chacun armé d’un aimant, entrent alors. Ces aimants, ce sont des molécules de streptavidine, une petite protéine qui exerce une forte attraction sur la biotine aimantée. Dès qu’un agent de la DGSE passe à proximité d’une personne portant un bracelet, celle-ci est attirée vers l’aimant streptavidine et se retrouve collée à l’agent. Ces derniers réunissent ensuite les suspects en attendant qu’ils soient interrogés. Cette stratégie s’appelle un pulldown8 (explications supplémentaires dans les suppléments).
Grâce à l’attraction forte entre streptavidine et biotine, isoler les participants du pogo devient facile ! Par Gaël Fortin
Phase 4 : Identification des fauteurs de trouble
[J+1 : Dimanche 23 juin. 1h35]
Après avoir été arrêtés par les agents du GIGN, tous les danseurs portant les bracelets de biotine se retrouvent dans une salle d’interrogatoire. Pour finaliser la BioID, les forces de l’ordre identifient de manière automatisée les suspects à l’aide d’une machine appelée spectromètre de masse9.
Cette machine analyse les protéines fragment par fragment et détermine une masse pour chaque fragment. Ensemble, elles constituent la signature de la protéine qui reflète sa composition. Enfin, la DGSE compare ces informations aux bases de données de la police, pour identifier les suspects.
Pour avoir des informations complémentaires sur la spectrométrie de masse, vous pouvez regarder cette vidéo (en anglais mais sous-titrée !).
Exemple de profil de KPNB1 par la DGSE. Par Maëlys Born-Bony
Grâce aux efforts combinés de l’infiltrée BirA et des agents du GIGN, la DGSE sait finalement qui a participé au pogo. Mais le travail est loin d’être fini pour les enquêteurs car ils doivent encore répondre à plusieurs questions.
Tout d’abord, ils veulent savoir si les participants du pogo ont les mêmes fonctions. Pour cela, l’équipe de la DGSE fait une analyse ontologique10. Cette étape consiste à comparer les professions, les loisirs, les lieux fréquentés, bref toutes les caractéristiques connues sur les individus identifiés. L’analyse indique que les participants au pogo ont beaucoup de points communs : ils fréquentent les mêmes bars sur le Boulevard du Cytosol, ils ont des antécédents d’abus de substances glycosylées, et travaillent dans les usines de production d’ARNm (voir le graphique 1: en rouge le rôle des protéines associées préférentiellement à TDP-43 comme “mRNA processing” et “RNA splicing”). Ceci permet aux enquêteurs de se focaliser sur un sous-groupe de protéines pour trouver une possible cause du comportement néfaste des agrégats, dans le but d’empêcher les futurs pogos.
Graphique 1: Analyse ontologique des protéines associées préférentiellement à TDP-43 (en rouge) ou à TDP-CTF (protéine TDP-43 tronquée, en bleu). Plus la valeur est élevée pour une fonction protéique et plus on retrouve de protéines ayant cette fonction qui interagissent avec TDP-43 ou TDP-CTF. D’après Chou et al.4
Epilogue
La DGSE a réussi à infiltrer le CellFest grâce à l’agent spécial BirA et à sa fusion avec TDP-43. Avec ses astucieux bracelets-aimants en biotine, les enquêteurs ont pu isoler et révéler l’identité des complices de TDP-43, la protéine responsable de la maladie de Charcot.
Si BirA n’en est qu’à ses débuts, elle aura probablement de nombreuses nouvelles missions dans les mois à venir car la BioID permet d’identifier les protéines qui interagissent ensemble facilement et directement dans la cellule. Cette technique est utilisée pour étudier la maladie de Charcot (billet de blog à ce propos : ici), mais aussi pour comprendre le transport vers le noyau ou la transmission d’informations dans les cellules11… Pas de repos pour l’agent spécial BirA !
Bibliographie :
1 : Dobra, I., Pankivskyi, S., Samsonova, A., Pastre, D. & Hamon, L. Relation Between Stress Granules and Cytoplasmic Protein Aggregates Linked to Neurodegenerative Diseases. Curr Neurol Neurosci Rep 18, 107 (2018).
2 : van Es, M. A. et al. Amyotrophic lateral sclerosis. Lancet 390, 2084–2098 (2017)..
4 : Chou, C.-C. et al. TDP-43 pathology disrupts nuclear pore complexes and nucleocytoplasmic transport in ALS/FTD. Nat. Neurosci. 21, 228–239 (2018).
5 :Roux, K. J., Kim, D. I., Raida, M. & Burke, B. A promiscuous biotin ligase fusion protein identifies proximal and interacting proteins in mammalian cells. J. Cell Biol. 196, 801–810 (2012)..
11 : Varnaitė, R. & MacNeill, S. A. Meet the neighbors: Mapping local protein interactomes by proximity-dependent labeling with BioID. Proteomics 16, 2503–2518 (2016).
Webographie :
3 : https://www.wikiwand.com/fr/Scl%C3%A9rose_lat%C3%A9rale_amyotrophique
6 : https://www.wikiwand.com/fr/Transfection
7 : https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_aggregation
8 : https://www.fishersci.co.uk/webfiles/uk/web-docs/UKLS_1076.PDF
9 : https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectrom%C3%A9trie_de_masse
10 : https://fr.wikipedia.org/wiki/Gene_Ontology
En complément :
Les maladies neurodégénératives – Planet-Vie – ENS
Merci à Pauline Babin, Malika Bony, et Arthur Levasseur pour la relecture de ce billet.
Suppléments :
La stratégie de la fusion
Pour fusionner BirA et TDP-43, les deux séquences codant ces protéines ont été manipulées et mises bout à bout. De cette façon, la machinerie cellulaire est bernée et agit comme si les séquences de BirA et TDP-43 ne formaient qu’un seul et même gène. La transcription de l’ADN ne donne qu’un ARN messager sur lequel on ne trouve qu’une séquence à traduire d’un bout à l’autre (on a un unique codon initiateur au début de l’ARNm et un unique codon STOP à la fin de l’ARN). Lorsque le ribosome traduit cet ARN, il ne distingue pas BirA et TDP-43, lit la séquence en une fois et forme une protéine correspondant à BirA et TDP-43 : la protéine de fusion.
Schéma 2 : Construction de la protéine de fusion BirA-TDP-43. Par Maëlys Born-Bony
La stratégie du Pulldown
Après avoir détruit les membranes des cellules, les protéines qu’elles contiennent sont récupérées. Grâce à la biotine (les bracelets-mouchards distribués par TDP-43), les protéines qui interagissent avec TDP-43 dans les agrégats peuvent facilement être séparés. Pour cela, on utilise des billes très lourdes de streptavidine. La streptavidine se fixe alors à la biotine, et il suffit de centrifuger (c’est à dire de faire tourner le tube à essai à très grande vitesse) pour que les protéines ayant la biotine tombent avec les billes de streptavidine alourdies. Après centrifugation, ces protéines sont donc au fond du tube à essai, séparées de toutes les autres protéines de la cellule, et prêtes à être analysées.
Schéma 3 : La précipitation de protéines ou pulldown. Par Gaël Fortin, CC-BY-NY