RL’heure de pointe ne cesse jamais à la frontière du noyau. Les produits géniques commencent leur vie dans le noyau sous forme de brins d’ARNm qui sont envoyés dans le cytoplasme, où ils servent de modèles pour la synthèse des protéines. Beaucoup de ces protéines, comme les facteurs de transcription, retournent ensuite à l’expéditeur, traversant à nouveau l’organite central de la cellule.1 Pour traverser l’enveloppe nucléaire, les protéines doivent transiter par un complexe de pores nucléaires (PNJ).2 Ce canal protéique sert de gardien du noyau, limitant le passage à certaines protéines qui transportent un signal de localisation nucléaire (NLS) – une séquence d’acides aminés qui marque la protéine pour sa livraison au noyau.
Dans une étude récente publiée dans Physique de la natureles chercheurs ont découvert que les protéines abritant un domaine flexible près du NLS entrer plus rapidement dans le noyau.3 Pour imiter cet élément protéique souple, les biophysiciens ont conçu une étiquette protéique flexible qui accélère la livraison de la cargaison protéique dans l’organite central de la cellule.
« Les gens cherchent certainement à trouver comment administrer diverses thérapies, diagnostics ou simplement outils de recherche au noyau, et cela pourrait être assez important pour améliorer de manière très significative l’efficacité de ce processus », a déclaré Michel Routun biologiste cellulaire de l’Université Rockefeller qui n’a pas participé aux travaux.
Les scientifiques ont déjà découvert que Les PNJ se métamorphosent pour permettre à la cargaison de franchir le seuil nucléaire, mais les scientifiques savent peu de choses sur la manière dont les altérations structurelles des parcelles de protéines elles-mêmes affectent le transport.4 « Les cargaisons ont été considérées dans une certaine mesure comme le cadavre lors d’un enterrement : elles sont le but de toute la cérémonie, mais elles ne participent pas activement au processus », a déclaré Rout.
Pour étudier la relation entre la composition moléculaire d’une protéine et ses mouvements, Sergi García-Manyesbiophysicien à l’Institut Francis Crick et co-auteur de l’étude, a développé un système permettant de chronométrer le transport des protéines dans le noyau. Lui et son équipe ont choisi un motif protéique commun appelé le domaine d’immunoglobuline (Ig) comme sujet de test. Ils ont travaillé avec deux mutants d’Ig : l’un plus flexible et l’autre plus rigide par rapport à l’Ig de type sauvage. Cependant, les domaines d’Ig n’ont pas de NLS, les chercheurs ont donc donné à chaque version le timbre-poste nucléaire. La fusion de ces constructions mutantes à une protéine fluorescente a permis aux chercheurs de surveiller la distribution des protéines au microscope et de chronométrer leur transport vers le noyau. Les chercheurs étaient prêts à emmener leurs protéines améliorées à la course. Lorsqu’ils ont opposé les mutants les uns aux autres, ils ont découvert que le domaine d’Ig flexible prenait moins de temps à pénétrer dans le noyau que la variété rigide.
L’équipe a chronométré l’introduction d’une Ig mutante fusionnée à une protéine fluorescente dans le noyau à l’aide de l’imagerie de cellules vivantes. Barre d’échelle = 10 micromètres.
Garcia-Manyes et son équipe se sont demandé si la proximité du domaine flexible avec le NLS affectait la vitesse de transport. Cependant, ils n’ont pas pu utiliser les variantes d’Ig pour tester cette hypothèse car les mutations étaient fixées près du NLS. Au lieu de cela, ils se sont tournés vers la version sauvage de l’Ig et ont attaché une protéine flexible appelée R16 à chaque extrémité de sa chaîne protéique. En manipulant la distance entre le domaine flexible et le NLS, ils ont déterminé que plus les deux éléments étaient proches, plus l’entrée de la protéine dans le noyau était rapide.
Garcia-Manyes et ses collègues ont envisagé les applications de leurs découvertes pour accélérer l’importation nucléaire. « Nous avons pensé qu’au lieu de simplement utiliser les propriétés de la protéine elle-même, nous devrions faire quelque chose d’artificiel, concevoir quelque chose par ingénierie moléculaire », a-t-il déclaré. Pour créer une protéine synthétique flexible à placer près du NLS des protéines rigides, ils ont développé des polymères de glycine (G) et de sérine (S), deux acides aminés que les scientifiques utilisent fréquemment pour l’agilité s’appuie sur les protéines.5 Une seule balise GS avait un effet négligeable sur le taux d’importation nucléaire d’Ig, et les grandes balises transportant 25 copies de GS ralentissaient le trafic. Cependant, une portée de Boucle d’or de deux à quatre copies de GS augmentait le transport à travers le PNJ.
L’étiquette synthétique a réduit de moitié le temps de livraison, mais son impact a varié. « Pour une protéine très molle avec une étiquette, vous ne verrez pas vraiment de différence, mais si cette protéine est très rigide (alors) vous voyez un effet très fort », a déclaré Rafael Tapia-Rojobiophysicien au King’s College de Londres et co-auteur de l’étude.
Les biophysiciens veulent découvrir quelles protéines nucléaires ont naturellement développé des régions flexibles pour les aider dans leur transit. Par exemple, une protéine nucléaire appelée facteur de transcription A lié au myocarde abrite de nombreuses régions flexibles pour faciliter le transit. régions intrinsèquement désordonnées—des chaînes d’acides aminés qui n’ont pas de structure fixe—qui peuvent faciliter l’entrée dans le noyau.6 « Il serait très intéressant d’examiner d’autres cargaisons natives qui semblent contenir ces régions désordonnées à côté de la séquence de ciblage et de voir à quel point cela est généralement utilisé », a déclaré Rout.
Dans le cadre d’expériences futures, l’équipe prévoit de vérifier si la flexibilité des protéines a un effet similaire sur le taux d’exportation nucléaire ainsi que sur le transport à travers d’autres pores des compartiments cytoplasmiques, tels que les mitochondries productrices d’énergie. « Nous pourrions alors commencer à concevoir différentes stratégies mécaniques pour bloquer ou débloquer le transport à travers les organites », a déclaré Garcia-Manyes.
Références
1. Lu J, et al. Types de signaux de localisation nucléaire et mécanismes d’importation des protéines dans le noyau. Signal de communication cellulaire. 2021;19(1):60.
2. Paci G, et al. Aperçu du transport de marchandises à travers le complexe nucléaire. J Cell Sci. 2021;134(2):jcs247874.
3. Panagaki F, et al. L’anisotropie structurelle entraîne un transport mécano-directionnel des protéines à travers les pores nucléaires. Nat Phys. 2024;20(7):1180-1193.
4. Hakhverdyan Z, et al. Dissection de la dynamique structurelle du complexe des pores nucléaires. Cellule Mol. 2021;81(1):153-165.e7.
5. Van Rosmalen M, et al. Ajuster la flexibilité des lieurs glycine-sérine pour permettre une conception rationnelle de protéines multidomaines. Biochimie. 2017;56(50):6565-6574.
6. Infante E, et al. La stabilité mécanique des protéines régule leur taux de translocation dans le noyau cellulaire. Nat Phys. 2019;15(9):973-981.
