Comment les cellules équilibrent leurs taux de protéines

Chaque cellule dépend des protéines pour fonctionner et rester en bonne santé. Ces protéines soient fabriquées à l’intérieur de la cellule à partir d’acides aminés, mais elles ne peuvent pas s’y accumuler indéfiniment. Une fois leur travail accompli ou qu’elles sont endommagées, la cellule doit les éliminer.

Pour ce faire, elle décompose les protéines et les recycle, un processus appelé «élimination des protéines». Mais ce va-et-vient permanent et vital entre la fabrication et l’élimination des protéines demande de l’énergie et de la coordination, et la cellule doit constamment trouver le juste équilibre entre les deux.

Lorsque les ressources, telles que les acides aminés ou la capacité de la cellule à fabriquer des protéines fluctuent, par exemple après un repas, en cas de stress ou en présence de certains médicaments, cet équilibre peut être perturbé. Cependant, les cellules doivent continuer à maintenir leurs niveaux globaux de protéines dans une fourchette sûre.

Cela soulève une question simple: comment les cellules adaptent-elles l’élimination des protéines lorsque la fabrication de protéines change? Les scientifiques savent que la fabrication et l’élimination des protéines sont liées. Jusqu’à présent, il leur manquait toutefois un schéma quantitatif clair de la façon dont ces deux processus se déroulent en temps réel.

«Les cellules sont constamment soumises à des fluctuations des ressources qui régissent la synthèse protéique, explique David Suter, professeur à la Faculté des sciences de la vie de l’EPFL. Si les taux de synthèse protéique baissent de 50 %, nos cellules rétrécissent de 50 %, à moins que les taux d’élimination protéique ne ralentissent également.»

David Suter et son équipe ont cartographié la manière dont les cellules de mammifères coordonnent la fabrication et l’élimination des protéines. «Nous avons découvert une propriété universelle des cellules de mammifères: leur capacité à ajuster partiellement les taux d’élimination protéique aux variations des taux de synthèse protéique, principalement grâce à un mécanisme que nous appelons l’adaptation passive.»

La recherche a été publiée dans Cell Systems.

L’adaptation passive

Pour étudier comment les cellules gèrent les changements dans la fabrication de protéines, les chercheuses et chercheurs ont utilisé une protéine fluorescente spéciale qui change de couleur avec le temps. Cela a permis de suivre la rapidité de fabrication et d’élimination des protéines dans les cellules vivantes individuelles.

En analysant ces changements de couleur, l’équipe a mesuré deux processus: la décomposition active des protéines et la dilution des protéines au fur et à mesure de la croissance et de la division des cellules. Les scientifiques ont ensuite comparé ces mesures à un modèle mathématique qui a prédit que si la fabrication de protéines ralentit, la cellule fabrique moins de composants de son mécanisme de dégradation, ce qui ralentit l’élimination des protéines.

Dans toutes les conditions testées, les données concordent avec le modèle: lorsque la synthèse protéique chute, l’élimination des protéines ralentit juste assez pour compenser partiellement. C’est ce que les scientifiques appellent l’«adaptation passive», un processus qui aide les cellules à maintenir des taux de protéines plus sûrs malgré les fluctuations des ressources.

Le même comportement était visible chez les cellules qui n’étaient pas perturbées par des facteurs externes, ce qui montre qu’il s’agit d’une stratégie naturelle et quotidienne.

Le comportement différent des cellules souches embryonnaires

En étudiant des cellules souches embryonnaires de souris, l’équipe a trouvé une couche de protection supplémentaire. Ces cellules activent une voie de détection des nutriments appelée mTOR lorsque la synthèse protéique chute. Cette réaction a augmenté la capacité de fabrication de protéines et réduit davantage leur décomposition, permettant aux cellules de maintenir leurs taux de protéines presque parfaitement stables.

«Même en cas de baisse de 50 % des taux de synthèse protéique, elles maintiennent des taux de protéines presque parfaitement constants», précise David Suter.

Pour le professeur cette robustesse joue probablement un rôle dans les embryons réels: «Cela pourrait être nécessaire pour ces cellules qui font partie de l’embryon préimplantatoire, où les conditions sont difficiles, sans apport sanguin et avec des nutriments limités. Cela pourrait aussi aider à expliquer la résilience des blastocystes [l’embryon très précoce qui n’est pas encore implanté dans l’utérus] dans les conditions de culture simples utilisées au début de la FIV.»

Les travaux expliquent comment les cellules protègent leur équilibre protéique lors de changements dans la disponibilité des nutriments, le développement ou le stress. Ils permettent également de comprendre comment les scientifiques interprètent les mesures de stabilité protéique et comment les cellules embryonnaires précoces maintiennent leur résilience.