Caractérisation du rôle de la protéine de poinçonnage des pores de la membrane mitochondriale dans l'apoptose

Crédit : wir0man/Getty Images

Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de l'ISIS Pulsed Neutron and Muon Source, Science and Technology Facilities Council (STFC), a pour la première fois caractérisé un mécanisme moléculaire unique impliqué dans les premiers stades de la mort cellulaire programmée, l'apoptose, un processus qui joue un rôle crucial dans la prévention du cancer.

En utilisant des techniques telles que la réflectométrie neutronique résolue en temps et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, les chercheurs ont pu déterminer comment la protéine pro-apoptotique Bax interagit avec la membrane externe mitochondriale (MOM) dans laquelle elle crée des pores. Les résultats pourraient avoir des implications pour la recherche future sur le cancer et les stratégies thérapeutiques.

Gerhard Gröbner, PhD, scientifique de l'Université d'Umeå et co-auteur principal de l'article publié par l'équipe dans Science Advances, a déclaré : « Les découvertes uniques ici auront non seulement un impact significatif dans le domaine de la recherche sur l'apoptose, mais ouvriront également des passerelles pour explorer Bax et ses proches en tant que cibles intéressantes dans le traitement du cancer, par exemple en optimisant leur potentiel de destruction des cellules. » Gröbner, en collaboration avec le co-auteur principal et scientifique du STFC Neutron and Muon Source, Luke Clifton, PhD, et des partenaires de la Source européenne de spallation en Suède, ont rapporté leurs découvertes dans un article intitulé "Création de complexes Bax-lipides distinctifs à la surface des membranes mitochondriales entraîne la formation de pores pour initier l'apoptose." Dans leur article, ils ont écrit : "Nos découvertes fournissent une solide compréhension moléculaire de la perforation de la membrane mitochondriale par la protéine Bax qui tue les cellules et éclairent les phases initiales de la mort cellulaire programmée." L'étude représente la plus récente d'une série de collaborations de recherche par l'équipe qui étudie les protéines cellulaires responsables de l'apoptose.

L'apoptose est essentielle à la vie humaine, et sa perturbation peut provoquer la croissance de cellules cancéreuses et ne pas répondre au traitement du cancer. Dans les cellules saines, l'apoptose est régulée par deux protéines, Bax et Bcl-2, qui ont des rôles opposés. "Les membres multidomaines les plus importants de la famille Bcl-2 sont la protéine X associée à Bcl-2 apoptotique (Bax) et la protéine Bcl-2 anti-apoptotique elle-même", ont expliqué les chercheurs.

La protéine Bax soluble est responsable de l'élimination des cellules âgées ou malades et, lorsqu'elle est activée, elle perfore la membrane externe mitochondriale cellulaire pour former des pores qui déclenchent la mort cellulaire programmée. Cela peut être compensé par Bcl-2, qui est intégré dans la membrane mitochondriale, où il agit pour prévenir la mort cellulaire prématurée en capturant et en séquestrant les protéines Bax. "Les membres pro- et anti-apoptotiques de cette famille se rencontrent au MOM, et ils y arbitrent le destin de la cellule : membrane intacte et survie versus perméabilisation et mort", précisent encore les auteurs. "L'échec de ce processus de régulation peut provoquer divers troubles pathologiques allant des défauts embryonnaires au cancer. Dans les cellules cancéreuses, la protéine de survie Bcl-2 est surproduite, conduisant à une prolifération cellulaire non inhibée. Bien que ce processus soit depuis longtemps considéré comme important pour la développement du cancer, le rôle précis de Bax et de la membrane mitochondriale dans l'apoptose n'était pas clair jusqu'à présent."Bien qu'intensément étudié, le mécanisme moléculaire par lequel ces protéines créent des pores apoptotiques reste insaisissable", ont poursuivi les chercheurs.

Pour leur étude, l'équipe a utilisé une technique connue sous le nom de réflectométrie neutronique (réalisée à l'aide des instruments avancés ISIS Surf et Offspec) pour étudier en temps réel la façon dont la protéine Bax interagit avec les lipides présents dans la membrane mitochondriale, au cours des premières étapes de l'apoptose. . En utilisant le marquage isotope du deutérium, ils ont déterminé pour la première fois que lorsque Bax crée des pores, il extrait les lipides de la membrane mitochondriale pour former des amas lipidiques-Bax sur la surface mitochondriale.

En utilisant la réflectométrie neutronique résolue en temps en combinaison avec la spectroscopie infrarouge de surface dans le biolab ISIS, ils ont pu voir que cette création de pores s'est produite en deux étapes. L'adsorption rapide initiale de Bax sur la surface de la membrane mitochondriale a été suivie d'une formation plus lente de pores destructeurs de membrane et d'agrégats Bax-lipides, qui se sont produits simultanément. Ce processus de perforation plus lent s'est produit sur des échelles de temps de plusieurs heures, comparables à la mort cellulaire in vivo.

C'est la première fois que des scientifiques trouvent des preuves directes de l'implication des lipides mitochondriaux lors de perturbations membranaires dans la mort cellulaire initiée par les protéines Bax. Les résultats s'appuient sur ceux de travaux antérieurs de l'équipe sur le mécanisme moléculaire de Bcl-2 lié à la membrane, pour éclairer une compréhension plus complète des premiers stades de l'apoptose. "La vue détaillée de l'assemblage des pores Bax avec la découverte des grappes Bax-lipides obtenues par notre approche NR résolue dans le temps fournit une base solide pour comprendre la fonction de destruction de la membrane des membres multidomaines apoptotiques de la famille Bcl-2 en général et ouvre la voie pour surmonter leur inhibition moléculaire dans de nombreuses tumeurs dans la recherche de thérapies anticancéreuses », ont commenté les scientifiques.

Clifton a suggéré: "Ce travail a à la fois fait progresser notre connaissance des processus fondamentaux des cellules de mammifères et ouvert des possibilités passionnantes pour la recherche future. Comprendre à quoi ressemblent les choses lorsque les cellules fonctionnent correctement est une étape importante pour comprendre ce qui ne va pas dans les cellules cancéreuses et cela pourrait donc ouvrir portes à des traitements possibles... Pour autant que nous puissions en juger, ce mécanisme par lequel Bax initie la mort cellulaire est encore jamais vu. Une fois que nous en saurons plus sur l'interaction entre Bax et Bcl-2 et sur son lien avec ce mécanisme, nous aurons une image plus complète d'un processus fondamental pour la vie humaine. Ce travail montre vraiment les capacités de la réflectométrie neutronique dans les études structurales sur la biochimie membranaire.

Les auteurs ont en outre conclu : "Ces résultats donnent des détails structurels et cinétiques de précision sur le remodelage Bax du MOM et fournissent une explication des événements qui se chevauchent de la formation des pores et de la complexation des lipides. Ainsi, ils reflètent l'activité de Bax dans les mitochondries pendant l'apoptose, démontrant comment l'apoptose Bcl -2 protéines telles que Bax remodèlent l'architecture supramoléculaire de la coquille MOM pour conduire davantage l'apoptose vers son objectif ultime, l'élimination des cellules condamnées."

Des recherches supplémentaires sont prévues à l'ISIS pour élucider davantage le mécanisme moléculaire de l'apoptose et, en particulier, pour caractériser l'interaction entre Bax et Bcl-2. On espère que cela donnera des idées qui ouvriront de nouvelles voies de recherche pour continuer à développer notre compréhension des processus cellulaires nécessaires à la vie humaine.

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