Juin 2010 - Du local au global : une vision inédite sur le système d'échanges entre les compartiments cellulaires


Jusqu'à présent, c'est au niveau « local » des micro-environnements internes de la cellule animale que les biologistes ont pu observer et décrire les échanges moléculaires entre compartiments cellulaires. Aujourd'hui, ils changent d'échelle : à l'Institut Curie, l'équipe de Bruno Goud(1), directeur de recherche CNRS, a développé une approche quantitative très fiable permettant de dresser les cartes globales de tous les compartiments cellulaires et d'étudier les relations qu'ils établissent entre eux. Grâce à ces travaux publiés online dans Nature Methods du 30 mai 2010, il est désormais possible d'analyser globalement les conséquences d'une perturbation des compartiments cellulaires dans les situations pathologiques.

Chez les Eucaryotes, la cellule est une structure hautement organisée constituée d'un grand nombre de compartiments (noyau, appareil de Golgi etc) aux fonctions spécifiques. Les membranes qui délimitent les compartiments, assurent les flux de matières, d'énergie, d'informations qui permettent le fonctionnement de la cellule et le maintien de sa structure.

Une des complications, lorsque l'on veut étudier ce système, est son dynamisme : les compartiments changent constamment de forme, les « pierres » de l'édifice, autrement dit les molécules membranaires constitutives passant continuellement d'un compartiment à l'autre. Ces fabrications, importations, exportations... bref, ces renouvellements et échanges de molécules se font toujours, dans les deux sens, de l'intérieur vers l'extérieur et de l'extérieur vers l'intérieur de la cellule. De plus, ces flux membranaires sont étroitement contrôlés par le squelette interne de la cellule, ou cytosquelette, grâce à l'action de moteurs moléculaires qui permettent aux membranes de “glisser” le long des microtubules ou des filaments d'actine. Membranes et cytosquelette sont donc interdépendants, l'action de l'un ayant des répercutions sur l'organisation de l'autre et vice-et-versa.

Un exemple de cartographies d'un compartiment cellulaire, les endosomes tardifs

« Pour mieux comprendre ce système complexe, on voulait avoir une vision générale et dynamique de la répartition des membranes à l'intérieur de l'espace de la cellule » explique Bruno Goud(1), directeur de l'unité Compartiments et dynamique cellulaire.

Kristine Schauer, jeune post-doctorante de l'équipe et ses collaborateurs, ont utilisé des cellules en culture qu'ils ont fait adhérer à un support à des endroits précis pour mimer ce qui se passe in vivo. En effet, dans chaque tissu, les cellules situées côte-à-côte ont une organisation interne très semblable qui dépend des contacts qu'elles établissent entre elles.

« Nous avons donc disposé des protéines d'adhésion selon un « patron » pré-défini en utilisant une astuce : ce patron d'adhésion ne donne pas beaucoup de « choix » aux cellules. Comme celles-ci sont robustes, elles s'adaptent aux conditions contraignantes et répondent, grâce au cytosquelette, de manière stéréotypée ; et tous les compartiments membranaires vont avoir le même comportement d'une cellule à l'autre », précise le biologiste Michel Bornens(2).

L'objectif est de mesurer la taille des différents compartiments, leur volume et leur localisation les uns par rapport aux autres. Pour ce faire, les outils d'imagerie informatique utilisés calculent les données moyennes obtenues sur des centaines de cellules fixées par le patron d'adhésion. L'analyse est donc quantitative et permet d'obtenir des cartes de densité. Elle se révèle aussi extrêmement fiable et, ce, avec très peu de cellules : il suffit d'une vingtaine pour avoir une excellente estimation spatiale, y compris en trois dimensions, de la densité et de la localisation du compartiment étudié.

Utilisée avec des marqueurs spécifiques des différentes membranes, l'approche permet de dévoiler l'organisation et la logistique de l'espace cellulaire avec ses endosomes*, lysosomes*, réticulum endoplasmique*, appareil de Golgi*, vésicules de sécrétion et autres organites cellulaires. Ainsi, on observe que certains compartiments, tel les lysosomes, se répartissent préférentiellement vers le côté adhésif de la cellule en culture.

Cette approche a aussi permis la première visualisation des changements subtils que provoquent sur l'ensemble des membranes internes une cassure au niveau du cytosquelette. Elle pourrait donc constituer une voie royale pour l'analyse des altérations phénotypiques provoquées par des substances chimiques ou autres. Prochaine étape pour l'équipe de chercheurs de l'Institut Curie : étudier l'architecture et l'organisation de ces compartiments dans les cellules tumorales. On soupçonne, en effet, que l'altération de certains protéines, maîtres d'oeuvre de cette organisation, soit impliquée dans le processus de tumorogenèse.

Les principaux compartiments cellulaires en quelques lignes

La grande différence entre les cellules procaryotes et eucaryotes est la présence, dans l'espace intracellulaire des secondes, de compartiments spécialisés (dont un noyau), délimités par des membranes que l'on appelle endomembranes, et d'un “squelette” protéique interne, le cytosquelette. De ce fait, les diverses fonctions et mécanismes indispensables à la vie de la cellule sont séparés et répartis dans cet espace - lui-même fermé par la membrane cytoplasmique - avec une logique qui rappelle celle des usines humaines.

Le noyau, qui contient le génome, est le site privilégié de synthèse des ADN et ARN. Autour de lui, le cytoplasme se laisse en grande partie occupé par les replis labyrinthiques du réticulum endoplasmique (RE). Ils portent à leur surface une multitude de ribosomes qui assurent la synthèse des protéines membranaires et des protéines solubles. Certaines seront dirigées vers le RE, et la plupart vers d'autres compartiments ou vers l'extérieur. Autre structure faite de replis, l'appareil de Golgi. Avec son empilement de vésicules, il joue le rôle de “sas” intermédiaire pour les protéines passant du RE vers d'autres compartiments (ou l'inverse) et vers la membrane plasmique, sas dans lequel ces molécules subissent encore des modifications.

On trouve aussi dans le cytoplasme des endosomes, issus de l'internalisation, à la surface de la cellule, de vésicules membranaires chargées de molécules introduites ainsi dans le cytoplasme.

Certains types de compartiments assurent le nettoyage, autrement dit la dégradation de molécules et de particules, grâce à la présence d'enzymes : ce sont les lysosomes et les peroxisomes.

Enfin, pour que la cellule et ses différents organites puissent effectuer toutes ces fonctions, il faut de l'énergie. La molécule “énergétique” pas définition, l'ATP est fournie par les mitochondries.

© Kristine Schauer Cette cellule est étalée sur un "patron" en forme de cercle. Le marquage par immunofluorescence permet de repérer les endosomes précoces en rouge, les endosomes tardifs en vert et le noyau en bleu.

Notes :
(1) Bruno Goud est directeur de l'unitéc ompartimentation et dynamique cellulaires - Institut Curie/CNRS UMR 144 et chef de l'équipe Mécanismes moléculaires du transport intracellulaire.
(2) Michel Bornens est directeur de recherche émérite dans l'équipe Mécanismes moléculaires du transport intracellulaire.

Références :
« Probabilistic density maps to study global endomembrane organization »
Kristine Schauer, Tarn Duong, Kevin Bleakley, Sabine Bardin, Michel Bornens & Bruno Goud
Nature Methods, publication on line, 30 mai 2010

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