Les formines sont constituées de deux parties identiques (rouge, orange) qui encerclent le filament d'actine (gris) selon une conformation en forme d'anneau. Crédit : MPI de Physiologie Moléculaire
Les chercheurs de Max Plank de Dortmund ont révélé les mécanismes moléculaires par lesquels les protéines formine en forme d'anneau facilitent la croissance des filaments d'actine dans les cellules.
L'actine est une protéine très abondante qui contrôle la forme et le mouvement de toutes nos cellules. L'actine y parvient en s'assemblant en filaments, une molécule d'actine à la fois. Les protéines de la famille des formines sont des partenaires essentiels dans ce processus : positionnées à l'extrémité du filament, les formines recrutent de nouvelles sous-unités d'actine et restent associées à l'extrémité en « marchant » avec le filament en croissance.
Il existe jusqu’à 15 formes différentes dans nos cellules qui stimulent la croissance des filaments d’actine à différentes vitesses et à des fins différentes. Pourtant, le mécanisme d’action exact des formines et la base de leurs différentes vitesses inhérentes restent insaisissables. Aujourd'hui, pour la première fois, des chercheurs des groupes de Stefan Raunser et Peter Bieling de l'Institut Max Planck de physiologie moléculaire de Dortmund ont visualisé au niveau moléculaire comment les formines se lient aux extrémités des filaments d'actine.
Cela leur a permis de découvrir comment les formines interviennent dans l’ajout de nouvelles molécules d’actine à un filament en croissance. En outre, ils ont élucidé les raisons des différentes vitesses auxquelles les différentes formes favorisent ce processus. Les chercheurs du MPI ont utilisé une combinaison de stratégies biochimiques et de cryomicroscopie électronique (cryo-EM). Cette découverte, publiée dans la revue Science, peut nous aider à expliquer pourquoi certaines mutations des formes peuvent entraîner des maladies neurologiques, immunitaires et cardiovasculaires.
Unissant leurs forces
« Notre découverte nous permet d'interpréter des décennies d'études biochimiques sur les formines sous de nouveaux angles, ce qui répond à de nombreuses questions ouvertes de longue date dans ce domaine », explique Peter Bieling. Des structures antérieures issues de la cristallisation aux rayons X ont révélé que les formines sont constituées de deux parties identiques qui encerclent le filament d'actine dans une conformation en forme d'anneau et le longent à mesure qu'il se développe. Dans les modèles spéculatifs suggérés jusqu'à présent, les formines interagissent via leurs quatre domaines de liaison avec l'actine, tandis que les formines à déplacement lent et rapide adopteraient des formes différentes au niveau du filament.
Micaela Boiero Sanders et Wout Oosterheert au cryomicroscope électronique. Crédit : MPI de Physiologie Moléculaire
« Mais ces études manquaient de structures à haute résolution de formines liées à leurs sites d'activité pertinents, l'extrémité barbelée des filaments d'actine », explique Wout Oosterheert, postdoctorant dans le groupe de Stefan Raunser au MPI Dortmund et co-premier auteur de la publication. .
Les formines sont des protéines hautement dynamiques qui assemblent rapidement les filaments. Il est donc difficile d'obtenir suffisamment d'extrémités de filament pour une détermination détaillée de la structure. Les scientifiques du MPI ont analysé non pas une, mais trois formes distinctes provenant de champignons, de souris et d’humains, qui allongent toutes les filaments d’actine à des vitesses très différentes. « L'une des formes que nous avons étudiées est très rapide et peut être considérée comme la Ferrari parmi les formes, tandis qu'une autre se comporte plutôt comme un tracteur », explique Stefan Raunser. Les scientifiques ont testé et optimisé une grande variété de conditions qui leur ont finalement donné un nombre élevé de filaments liés au formine. « Nous nous sommes appuyés sur l’expérience que nous avons acquise lors de nos études précédentes. L'optimisation itérative de la préparation des échantillons biochimiques et cryo-EM a été essentielle pour obtenir ces structures », explique Micaela Boiero Sanders, l'autre co-premier auteur de l'étude.
Un nouveau paradigme
Les nouvelles structures, avec des résolutions autour de 3,5 Ångström, montrent que les formes entourent l'actine comme un anneau asymétrique : une moitié de l'anneau est liée de manière stable, tandis que l'autre moitié est vaguement associée au filament et est libre de capturer une nouvelle sous-unité. « L'analyse des structures nous a donné un véritable moment d' »Eureka » concernant le mécanisme », déclarent Oosterheert et Boiero Sanders.
Lorsque la nouvelle sous-unité d'actine arrive, son incorporation sur le filament déstabilise l'arrangement formine et nécessite que le demi-anneau stable marche sur la nouvelle sous-unité et se détache, tandis que l'autre demi-anneau devient stable. Grâce à ce mécanisme concerté, les formines restent associées à l’extrémité du filament d’actine en croissance sur de longues distances. Contrairement aux hypothèses précédentes, les structures sont similaires pour les trois formines analysées, avec seulement trois domaines de liaison engagés avec l'actine en même temps.
En introduisant des mutations dans les formines, les scientifiques du MPI ont également expliqué les différences de vitesse entre les complexes actine-formine : si l'anneau de formine est lié plus étroitement à l'extrémité du filament d'actine, il est plus difficile pour l'anneau de lâcher prise et de marcher sur un nouveau, sous-unité d'actine entrante. En conséquence, la croissance des filaments est plus lente. « Nous comprenons maintenant comment une forme qui se comporte comme un tracteur peut être rendue plus rapide en lui donnant des caractéristiques de type Ferrari », explique Peter Bieling.
L’équipe MPI espère que leurs résultats seront utiles aux nombreux scientifiques du monde entier qui étudient le cytosquelette d’actine. « Nos nouvelles connaissances ouvrent un grand nombre de possibilités pour élucider les rôles spécifiques des quinze formes humaines au niveau cellulaire, ce qui peut améliorer notre compréhension de la manière dont les mutations des gènes des formines conduisent à des maladies graves », conclut Raunser.
