Utilisant de nouvelles techniques d’imagerie à haute résolution, les chercheurs du CDM et leurs collègues ont suivi la titine, la plus grande protéine du corps, en temps réel tout au long de son cycle de vie. La méthode et les résultats pourraient apporter un nouvel éclairage sur le développement musculaire ainsi que sur le traitement des muscles endommagés et des maladies cardiaques.
Alors que les lumières scintillantes égayent les fêtes de fin d’année, les chercheurs du Centre de médecine moléculaire Max Delbrück se réjouissent des lumières rouges et vertes pour une toute autre raison. À l’aide de sondes colorées, une équipe a suivi le cycle de vie complet de la titine, la plus grande protéine de l’organisme connue pour jouer un rôle clé dans le tissu musculaire. L’observation de la titine, de sa synthèse à sa dégradation, a apporté un éclairage nouveau sur la formation des sarcomères, les principales unités contractiles des muscles cardiaques et squelettiques.
La titine est une molécule si grande que son analyse présente des défis uniques. L’équipe a fixé des étiquettes fluorescentes rouges et vertes aux extrémités opposées de la protéine, ce qui lui a permis d’observer les mouvements précis de la titine dans les cellules musculaires dérivées du cœur de la souris, appelées cardiomyocytes.
« Les cardiomyocytes sont hautement spécialisés et ne peuvent pas sauter un battement », a déclaré Michael Gotthardt, qui dirige le laboratoire de biologie cellulaire neuromusculaire et cardiovasculaire du MDC et a dirigé la recherche. « Nous pouvons observer comment la titine est fabriquée et insérée dans le myofilament alors que tout fonctionne encore. C’est magnifique à voir. »
Not just a pretty picture
La perspicacité acquise en étant capable d’observer la titine en temps réel est significative. La titine a longtemps été considérée comme l’épine dorsale rigide des sarcomères, les segments fonctionnels de base des muscles cardiaques et squelettiques qui se dilatent et se contractent. Il s’avère que la titine est beaucoup plus dynamique qu’on ne le pensait auparavant, a déclaré Gotthardt.
Les cellules musculaires cardiaques semblent avoir un pool de titine soluble réparti dans tout le sarcomère, prêt à remplacer les protéines endommagées dans le processus répétitif d’expansion et de contraction du muscle. Les protéines surexploitées sont déplacées hors des cellules, puis dégradées. Tout cela se déroule en quelques heures, ce qui semble rapide, mais est en fait beaucoup plus long que pour toute autre protéine sarcomérique.
La grande quantité de titine située à l’extérieur du sarcomère était une surprise, vue pour la première fois grâce au nouveau modèle génétique de souris et à la technique d’imagerie, a déclaré Gotthardt. Une autre découverte inattendue a été la diversité des molécules de titine, appelées isoformes, qui ont été observées. Les protéines qui se déplacent plus rapidement sont probablement des isoformes différentes de celles qui se déplacent plus lentement.
« C’est un regard sur la vraie vie du sarcomère », a déclaré Gotthardt. « Nous pouvons comprendre la formation et le remodelage de la structure du myofilament, ce qui est pertinent pour les maladies humaines et le développement. »
Applications potentielles
Les sondes fluorescentes peuvent aider les chercheurs à étudier comment les muscles se reconstruisent après l’exercice, ou comment les muscles cardiaques se remodèlent après une crise cardiaque. Elles pourraient également aider à mieux comprendre les maladies cardiaques associées à des mutations dans d’autres protéines sarcomériques, a déclaré Franziska Rudolph, premier auteur de l’article.
« C’est incroyable, de suivre les variantes endogènes de la titine en temps réel du début à la fin », a déclaré Rudolph. « Tant d’expériences sont possibles avec ces modèles de souris et différentes techniques d’imagerie. »
Par exemple, la technique pourrait potentiellement être utilisée pour suivre les cellules implantées afin de voir dans quelle mesure elles s’intègrent à la fibre musculaire native, et si elles se connectent correctement avec leurs nouvelles voisines pour travailler comme une unité ou non. Un tel aperçu pourrait montrer si les thérapies cellulaires sont efficaces.
Valider les nouveaux outils et établir des méthodes d’analyse d’images a été un défi et a nécessité la collaboration avec des collègues de l’Institut de biologie des systèmes médicaux de Berlin du MDC, du Centre médical universitaire de Göttingen et de l’Université d’Arizona. L’équipe a travaillé dur pour montrer comment les protéines fluorescentes, qui sont générées génétiquement, n’avaient pas d’effets secondaires inattendus sur le développement et la fonction des muscles ou de la titine.
Les chercheurs du MDC continuent d’étudier la titine avec les nouveaux outils, y compris la façon dont les muscles squelettiques répondent à l’exercice.
Référence
Rudolph et al. (2019) Résoudre le cycle de vie de la titine et l’organisation spatiale du renouvellement des protéines dans les cardiomyocytes de souris. PNAS. DOI : https://doi.org/10.1073/pnas.1904385116
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