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L’X met en évidence une structure biologique grâce à la microscopie électronique

Après plusieurs années de travaux faisant appel à la cryo-microscopie électronique, des chercheurs du Laboratoire de Biochimie de l’Ecole polytechnique (BIOC) ont réussi à mieux cerner un mécanisme biologique qui entre en jeu dans la synthèse de protéines à partir de l’ADN dans les cellules.

 



Leurs recherches, qui ont fait l’objet d’une publication dans Nature communications, consacrent la place de l’X sur la scène internationale dans le champ de l’analyse biologique par cryo-microscopie électronique.

La cryo-microscopie électronique appliquée à la biologie

La cryo-microscopie électronique permet d’accéder à la structure fine de composés moléculaires et connaît un essor fulgurant depuis quelques années. Cette méthode est aujourd’hui utilisée dans le monde entier avec la création de plateformes de microscopie de pointe dédiée à la biologie. Il y a déjà dix ans, les chercheurs du BIOC anticipaient   les évolutions de leur spécialité  grâce à cette méthode émergente en débutant une activité de recherche sur le sujet  par le biais d’un projet ANR, en participant à la création du Centre Interdisciplinaire de Microscopie Electronique de l’X (CIMEX), et en recrutant en 2008 un maître de conférences spécialisé en microcopie, Pierre-Damien Coureux.

Préparation d’un échantillon cryogénisé au BIOC © Barande Jérémy /EP.

Un savoir-faire au service d’une problématique de recherche au cœur des mécanismes du vivant

L’équipe d’Emmanuelle Schmitt et Yves Mechulam travaille depuis près de vingt ans sur une problématique en lien avec la traduction de l’ARN en protéines dans les différents domaines du vivant.

En effet, l’ADN, gardien précieux du patrimoine génétique, n’est pas traduit directement dans les cellules: il est dupliqué par morceaux sous la forme de copies appelées ARN messagers (ARNm).

La problématique sur laquelle travaille le BIOC est de comprendre les mécanismes cellulaires qui permettent de démarrer la traduction de l’ARNm pour produire des protéines. Les chercheurs du BIOC ont donc utilisé différentes méthodes pour travailler sur des archées, des organismes unicellulaires dont le mécanisme de traduction de l’ARNm est similaire à celui des cellules eucaryotes, dont les cellules humaines. Les travaux sur ces organismes présentent un intérêt en manipulation de laboratoire car les macromolécules qui en sont issues sont très résistantes aux hautes températures et donc plus stables.

En 2012, des travaux de cristallographie aux rayons X sur des macromolécules d’archées leur avait ainsi permis d’illustrer le rôle phare d’une protéine dans ce processus : le facteur aIF2. Plus d’informations ici.

Depuis,  les chercheurs du BIOC ont pu enrichir la compréhension du rôle d’aIF2 à l’aide de la cryo-microscopie électronique, en étudiant Pyrococcus abyssi une espèce d’archée provenant des fosses abyssales, résistant à une température de 105°C et à une pression de 200 bars. Ils ont ainsi réussi à mieux comprendre le mécanisme de fonctionnement d’aIF2 et son rôle actif dans le démarrage de la création d’une protéine à partir d’ARNm. Leurs travaux ont été publiés dans Nature communications le 7 novembre 2016. 

Ce premier résultat obtenu à l’X grâce à la cryo-microscopie électronique ouvre la voie vers d’autres hypothèses de recherche . Pour la suite de ses travaux, l’équipe du BIOC va poursuivre son étude des archées et également tenter de prouver que, comme cela est probable, le mécanisme de fonctionnement identifié pour aIF2 agit également dans les cellules eucaryotes.

 


Décoder les ARNm :

Comme pour l’ADN, les ARNm sont constitués d’un enchainement de bases qui codent, par groupes de 3 bases (= 1 codon), pour des acides aminés qui constitueront la protéine. Afin de décoder le message de l’ARN, il faut donc identifier le premier codon qui permet ensuite de dérouler toute la molécule. Au sein des cellules, c’est le rôle d’une nano-machine cellulaire, le ribosome, qui se charge de repérer le premier bloc sur l’ARNm, appelé codon de démarrage, puis de construire la protéine à partir du décodage des bases et à l’aide d’autres structures présentes dans la cellule (ARN de transfert, protéines « facteur de démarrage », etc.). Le ribosome est constitué de deux sous-parties, une petite en charge de l’initialisation par le repérage du codon de démarrage, et une sous-partie plus grande qui va ensuite rejoindre la petite pour assembler les différents acides aminés afin de créer la protéine. Les travaux du BIOC portent plus spécifiquement sur le facteur aIF2, une protéine qui assiste le ribosome dans la recherche du codon de démarrage et dans le déclenchement de la suite de la traduction de l’ARNm.

Modèle du rôle de l'aIF2 dans la sélection du codon de démarrage : les différentes observations ont permis de mettre en évidence le caractère actif du facteur aIF2 dans la sélection du codon de démarrage (modélisé ici comme un ressort).