Percer les mystères du cœur : des recherches révolutionnaires révèlent les secrets des sarcomères

Les scientifiques ont capturé la première image 3D réaliste du filament épais du muscle cardiaque des mammifères.

La fibrillation auriculaire, l’insuffisance cardiaque et les accidents vasculaires cérébraux font partie des problèmes de santé graves pouvant découler d’une cardiomyopathie hypertrophique, un facteur critique de mort cardiaque subite chez les personnes de moins de 35 ans.

« Le muscle cardiaque est un moteur central du corps humain. Bien entendu, il est plus facile de réparer un moteur en panne si l’on sait comment il est construit et comment il fonctionne », explique Stefan Raunser. « Au début de nos recherches sur les muscles, nous avons réussi à visualiser la structure des éléments constitutifs essentiels des muscles et la façon dont ils interagissent grâce à la cryomicroscopie électronique. »

« Cependant, il s’agissait d’images statiques de protéines extraites de la cellule vivante. Ils ne nous disent que peu de choses sur la manière dont l’interaction dynamique et hautement variable des composants musculaires déplace le muscle dans son environnement d’origine », explique Raunser.

À travers toutes les épreuves

Les muscles squelettiques et cardiaques se contractent lors de l’interaction de deux types de filaments protéiques parallèles dans le sarcomère : fins et épais. Le sarcomère est subdivisé en plusieurs régions, appelées zones et bandes, dans lesquelles ces filaments sont disposés de différentes manières.

Le mince filament est constitué de F-actine, de troponine, de tropomyosine et de nébuline. Le filament épais est formé de myosine, de titine et de protéine C liant la myosine (MyBP-C). Ces dernières peuvent former des liens entre les filaments, tandis que la myosine, appelée protéine motrice, interagit avec le mince filament pour générer de la force et une contraction musculaire.

Les altérations des protéines des filaments épais sont associées à des maladies musculaires. Une image détaillée du filament épais serait d’une importance capitale pour développer des stratégies thérapeutiques visant à guérir ces maladies, mais elle manquait jusqu’à présent.

Jalons de la recherche musculaire

« Si vous voulez comprendre pleinement le fonctionnement du muscle au niveau moléculaire, vous devez imaginer ses composants dans leur environnement naturel – l’un des plus grands défis de la recherche biologique d’aujourd’hui qui ne peut être relevé par les approches expérimentales traditionnelles », explique Raunser.

Pour surmonter cet obstacle, son équipe a développé un flux de travail de cryo-tomographie électronique spécifiquement adapté à l’analyse d’échantillons musculaires : les scientifiques congèlent instantanément des échantillons de muscle cardiaque de mammifères, produits par le groupe Gautel à Londres, à une température très basse (- 175 °C). ).

Structure 3D du sarcomère montrant des filaments épais (violets) et fins (verts). Crédit : MPI de Physiologie Moléculaire

Cela préserve leur hydratation et leur structure fine et donc leur état natif. Un faisceau d’ions focalisé (fraisage FIB) est ensuite appliqué pour éclaircir les échantillons jusqu’à une épaisseur idéale d’environ 100 nanomètres pour le microscope électronique à transmission, qui acquiert plusieurs images lorsque l’échantillon est incliné le long d’un axe. Enfin, des méthodes informatiques reconstruisent une image tridimensionnelle à haute résolution.

Ces dernières années, le groupe de Raunser a appliqué avec succès le flux de travail personnalisé, ce qui a donné lieu à deux publications révolutionnaires récentes : ils ont produit les premières images haute résolution du sarcomère et d’une protéine musculaire jusqu’ici nébuleuse appelée nébuline. Les deux études fournissent des informations sans précédent sur l’organisation 3D des protéines musculaires dans le sarcomère, par exemple comment la myosine se lie à l’actine pour contrôler la contraction musculaire et comment la nébuline se lie à l’actine pour la stabiliser et déterminer sa longueur.

Terminer la peinture

Dans leur étude actuelle, les scientifiques ont produit la première image haute résolution du filament épais cardiaque s’étendant sur plusieurs régions du sarcomère. « Avec une longueur de 500 nm, cela constitue la structure la plus longue et la plus grande jamais résolue par cryo-ET », explique Davide Tamborrini du MPI Dortmund, premier auteur de l’étude.

Les nouvelles connaissances acquises sur l’organisation moléculaire du filament épais et donc sur sa fonction sont encore plus impressionnantes. La disposition des molécules de myosine dépend de leur position dans le filament.

Les scientifiques soupçonnent que cela permet au filament épais de détecter et de traiter de nombreux signaux de régulation musculaire et ainsi de réguler la force de contraction musculaire en fonction de la région du sarcomère. Ils ont également révélé comment les chaînes de titine parcourent le filament. Les chaînes de titine s’entrelacent avec la myosine, agissant comme un échafaudage pour son assemblage et orchestrant probablement une activation du sarcomère en fonction de la longueur.

« Notre objectif est de dresser un jour un tableau complet du sarcomère. L’image du filament épais dans cette étude n’est « qu’ » un instantané de l’état détendu du muscle. Pour bien comprendre comment fonctionne le sarcomère et comment il est régulé, nous souhaitons l’analyser dans différents états, par exemple pendant la contraction », explique Raunser.

La comparaison avec des échantillons provenant de patients atteints de maladies musculaires contribuera à terme à une meilleure compréhension de maladies comme la cardiomyopathie hypertrophique et au développement de thérapies innovantes.