Structural basis for co-translational assembly of homo-oligomeric proteins in cis and in trans

Au cœur de chaque cellule vivante, de minuscules machines appelées ribosomes agissent comme les usines de la vie, lisant les instructions génétiques pour construire des protéines. Ces protéines sont les moteurs de la cellule, mais elles travaillent rarement seules. Pour fonctionner, elles doivent souvent s'assembler avec d'autres protéines pour former des structures complexes, un peu comme des engrenages individuels s'emboîtant dans un mécanisme d'horlogerie. Pendant des décennies, les scientifiques ont cru que ces connexions se produisaient généralement après qu'une protéine a été entièrement construite et libérée dans la cellule. Cependant, des recherches récentes ont révélé que de nombreuses protéines commencent à s'assembler avec leurs partenaires alors qu'elles sont encore en cours de construction, un processus connu sous le nom d'assemblage co-traductionnel. Cette connexion précoce aide à empêcher les protéines de s'emmêler ou de se dégrader dans l'environnement encombré de la cellule. Une question majeure est restée sans réponse : lorsque deux protéines identiques doivent unir leurs forces, se trouvent-elles pendant qu'elles sont construites sur la même chaîne de matériel génétique, ou cherchent-elles des partenaires en cours de construction sur des brins complètement différents à proximité ?

Une équipe de chercheurs du Centre de biologie moléculaire de l'Université de Heidelberg a maintenant répondu à cette question pour une protéine bactérienne spécifique appelée PheA. En utilisant des techniques d'imagerie avancées et des outils génétiques, ils ont découvert que cette protéine ignore largement la règle selon laquelle l'assemblage se produit sur la même chaîne génétique. Au lieu de cela, ils ont découvert que les molécules de PheA s'assemblent fréquemment en tendant vers des partenaires en cours de construction sur des brins de matériel génétique voisins et distincts. Cette découverte révèle un niveau d'organisation surprenant dans la cellule bactérienne, où les ribosomes sur différentes instructions génétiques se lient physiquement pour former de vastes réseaux interconnectés qui garantissent que ces protéines sont construites correctement et efficacement.

Les chercheurs se sont concentrés sur la PheA, une enzyme en deux parties présente chez la bactérie E. coli qui aide la cellule à fabriquer un nutriment vital. Cette enzyme est composée de deux moitiés identiques qui doivent pivoter l'une autour de l'autre pour fonctionner. Les scientifiques savaient que si ces deux moitiés ne se rejoignaient pas immédiatement après qu'une section spécifique de la protéine soit émergée du ribosome, la protéine risquerait de se replier incorrectement et de devenir inutile. Pour comprendre comment ce rapprochement se produit, l'équipe a d'abord observé le comportement des ribosomes dans la cellule. Ils ont utilisé une méthode pour séparer les amas lourds de ribosomes des plus légers et ont découvert que lorsque la PheA est produite en grande quantité, les ribosomes forment des amas massifs et lourds qui sentent au fond de leurs tubes à essai. Ces amas disparaissaient lorsque les chercheurs traitaient l'échantillon avec une enzyme qui digère les chaînes protéiques, prouvant que les ribosomes étaient maintenus ensemble par les chaînes protéiques en croissance elles-mêmes, plutôt que de simplement flotter de manière aléatoire.

Pour voir exactement comment ces chaînes se connectaient, l'équipe a développé une expérience ingénieuse utilisant deux versions légèrement différentes du gène PheA. Ils ont placé ces deux gènes sur des brins génétiques distincts au sein de la même cellule. Une version de la protéine était marquée avec une poignée spécifique, et l'autre avec une poignée différente. Lorsqu'ils ont extrait les protéines avec la première poignée, ils ont trouvé que la seconde version de la protéine y était attachée. Cela a fourni la preuve directe que les deux moitiés de l'enzyme se rejoignaient même si elles étaient construites à partir d'instructions génétiques complètement différentes. Cela signifiait que l'assemblage se produisait en trans, ou à travers différents brins génétiques, plutôt qu'en cis, ou sur le même brin.

L'équipe s'est ensuite tournée vers une technique d'imagerie puissante appelée cryo-microscopie électronique pour visualiser les ribosomes eux-mêmes. Ils ont congelé les ribosomes dans une fine couche de glace et ont pris des milliers d'images à haute résolution pour voir comment ils étaient disposés. Ils ont mesuré la distance entre les tunnels de sortie des ribosomes, les minuscules trous par lesquels les nouvelles chaînes protéiques émergent. Ils ont constaté que lorsque la PheA est en cours de construction, les ribosomes se positionnent de sorte que ces tunnels de sortie soient très proches, à environ 120 angströms l'un de l'autre. Cette proximité permet aux chaînes protéiques émergentes de se toucher et de se verrouiller presque immédiatement. Étonnamment, les images ont montré que ces ribosomes n'avaient pas une orientation fixe ; ils pouvaient pivoter et se déplacer librement tant que leurs tunnels de sortie restaient proches. Cette flexibilité suggérait que les ribosomes n'étaient pas coincés dans une formation rigide, mais qu'ils se trouvaient dynamiquement pour faciliter la connexion.

Lorsque les chercheurs ont observé les ribosomes sur des brins génétiques intacts, ils ont constaté que la proximité étroite des tunnels de sortie se produisait le plus souvent entre des ribosomes sur des brins différents. Bien qu'il soit possible que des ribosomes sur le même brin se connectent, cela était rare et nécessitait généralement que le brin génétique boucle sur lui-même pour que des ribosomes éloignés puissent se rejoindre. Les voisins directs sur le même brin étaient en fait trop éloignés pour connecter leurs protéines émergentes. Cette découverte remet en question l'idée prédominante selon laquelle les protéines identiques s'assemblent généralement sur le même brin génétique. Au lieu de cela, pour la PheA, la cellule compte sur un réseau de différents brins génétiques qui se rejoignent.

Les chercheurs ont expliqué que cette préférence pour la connexion entre différents brins est probablement due à la vitesse à laquelle la PheA doit s'assembler. La partie de la protéine qui doit rejoindre son partenaire est très courte et émerge rapidement. Si les ribosomes étaient bloqués sur le même brin, la géométrie du matériel génétique forcerait les tunnels de sortie à être trop éloignés pour que les protéines puissent se connecter à temps. En permettant aux ribosomes de différents brins de se rapprocher, la cellule crée un environnement flexible où les protéines peuvent se trouver instantanément. Ce mécanisme garantit que l'enzyme est construite correctement sans gaspiller d'énergie ou créer de pièces défectueuses.

Cette étude offre une vue claire de la manière dont les cellules organisent la construction de machines complexes. Elle montre que la cellule ne repose pas sur une seule méthode rigide pour assembler les protéines. Au lieu de cela, elle utilise la proximité physique des ribosomes, quel que soit le brin génétique sur lequel ils se trouvent, pour s'assurer que les protéines trouvent leurs partenaires au moment exact. Pour la PheA, cela signifie que la cellule construit un web dynamique de ribosomes, reliant les différentes instructions génétiques pour résoudre un problème structurel. Cette découverte suggère que l'intérieur encombré d'une cellule n'est pas seulement un mélange chaotique de composants, mais un espace hautement organisé où l'arrangement physique de la machinerie est ajusté aux besoins spécifiques des protéines en cours de fabrication.