Les chercheurs ont développé de nouveaux outils mathématiques pour mesurer les taux de dégradation des protéines, fournissant ainsi des informations plus approfondies sur les mécanismes du vieillissement et des maladies, et contribuant à un héritage de recherche sur les protéines.
Des chercheurs ont développé des outils mathématiques pour quantifier la vitesse de dégradation des protéines cellulaires, offrant ainsi de nouvelles perspectives sur le vieillissement et la maladie. Leur étude classe les protéines en trois groupes de taux de dégradation et explore les implications pour le développement musculaire, la famine et les maladies neurodégénératives. Cette méthode fait progresser notre compréhension des processus cellulaires.
De nouvelles méthodes mathématiques qui montrent la vitesse à laquelle les protéines cellulaires se dégradent pourraient offrir des informations plus approfondies sur le processus de vieillissement, selon une étude récente co-écrite par un chercheur de l'État du Mississippi avec des collègues de la Harvard Medical School et de l'Université de Cambridge.
Galen Collins, professeur adjoint au département de biochimie, de biologie moléculaire, d'entomologie et de phytopathologie de la MSU, est co-auteur de l'article révolutionnaire publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciencesen avril.
« Nous savons déjà à quelle vitesse les protéines sont fabriquées, ce qui peut se faire en quelques minutes », a déclaré Collins, qui est également scientifique à la Mississippi Agricultural and Forestry Experiment Station. « Jusqu'à présent, nous avions une très mauvaise idée du temps qu'il leur fallait pour se décomposer. »

Galen Collins. Crédit photo : Grace Cockrell
L'article de mathématiques appliquées présente les nouveaux outils qui quantifient les taux de dégradation des protéines cellulaires (la vitesse à laquelle elles se décomposent), nous aidant à comprendre comment les cellules se développent et meurent et comment nous vieillissons. Protéines – molécules complexes constituées de diverses combinaisons de acides aminés— assumer l’essentiel de la charge de travail au sein d’une cellule, en fournissant sa structure, en répondant aux messages provenant de l’extérieur de la cellule et en éliminant les déchets.
Nouvelles découvertes sur les taux de dégradation des protéines
Les résultats ont démontré que toutes les protéines ne se dégradent pas au même rythme, mais se répartissent en trois catégories, se dégradant en quelques minutes, quelques heures ou quelques jours. Alors que des recherches antérieures ont examiné la dégradation des protéines cellulaires, cette étude a été la première à quantifier mathématiquement les taux de dégradation de toutes les molécules de protéines cellulaires, en utilisant une technique appelée entropie maximale.
« Pour certains types de questions scientifiques, les expériences peuvent souvent révéler une infinité de réponses possibles. Cependant, elles ne sont pas toutes également plausibles », a déclaré Alexander Dear, auteur principal de l’étude et chercheur en mathématiques appliquées à l’université Harvard. « Le principe d’entropie maximale est une loi mathématique qui nous montre comment calculer précisément la plausibilité de chaque réponse – son « entropie » – afin de pouvoir choisir celle qui est la plus probable. »
« Ce type de calcul s’apparente à une caméra qui zoome sur votre plaque d’immatriculation à distance et calcule les chiffres qu’elle devrait contenir », explique Collins. « L’entropie maximale nous donne une image claire et précise de la façon dont se produit la dégradation des protéines dans les cellules. »
Conséquences de la dégradation des protéines
L’équipe a également utilisé ces outils pour étudier certaines implications spécifiques de la dégradation des protéines chez les humains et les animaux. Elle a notamment examiné comment ces taux évoluent à mesure que les muscles se développent et s’adaptent à la famine.
« Nous avons découvert que la famine avait le plus grand impact sur le groupe intermédiaire de protéines des cellules musculaires, dont la demi-vie est de quelques heures, ce qui provoque un décalage et une accélération de la dégradation », a déclaré Collins. « Cette découverte pourrait avoir des implications pour les patients atteints de cancer qui souffrent de cachexie, ou de perte musculaire due à la maladie et à ses traitements. »
Ils ont également étudié comment un changement dans la dégradation de certaines protéines cellulaires contribue aux maladies neurodégénératives.
« Ces maladies surviennent lorsque les protéines résiduelles, qui se décomposent généralement rapidement, vivent plus longtemps qu'elles ne le devraient », explique Collins. « Le cerveau devient comme la chambre d'un adolescent, où s'accumulent les déchets, et si on ne fait pas le ménage, il devient inhabitable. »
Dear a affirmé que la valeur de l'étude ne réside pas seulement dans ce qu'elle révèle sur la dégénérescence des protéines cellulaires, mais également dans le fait qu'elle offre aux scientifiques une nouvelle méthode pour étudier l'activité cellulaire avec précision.
« Nos travaux fournissent une nouvelle méthode expérimentale puissante pour quantifier le métabolisme des protéines dans les cellules », a-t-il déclaré. « Sa simplicité et sa rapidité la rendent particulièrement adaptée à l’étude des changements métaboliques. »
Alfred Goldberg, conseiller postdoctoral de Collins à Harvard et co-auteur de l'article, a été un pionnier dans l'étude de la vie et de la mort des protéines. Collins a souligné que cette étude s'appuyait sur près de cinq décennies de recherche de Goldberg et sur sa collaboration en fin de carrière avec des mathématiciens de l'Université de Cambridge. Après son arrivée à la MSU il y a un an, Collins a continué à collaborer avec ses collègues pour terminer l'article.
« C'est un honneur incroyable d'être publié dans PNAS« J'ai beaucoup aimé faire partie de cette équipe, mais c'était aussi très amusant de faire partie de cette équipe », a déclaré Collins. « Et c'est très significatif de voir l'œuvre de mon ancien mentor terminée et publiée. »
L'étude a été financée par l'Institut national des sciences médicales générales, le Cure Maladie d'Alzheimer Fonds, la bourse Lindemann Trust, l'English-Speaking Union, la bourse d'études de la Fondation George et Lillian Schiff, la bourse de courte durée de l'EMBO et la bourse de recherche junior du Sidney Sussex College Cambridge.