Microscopie des graisses : imagerie des lipides dans les cellules
"Nous savions que nous tenions quelque chose de grand"
Les molécules de lipides, ou graisses, sont essentielles à toutes les formes de vie. Les cellules ont besoin de lipides pour construire des membranes, séparer et organiser les réactions biochimiques, stocker de l'énergie et transmettre des informations. Chaque cellule peut créer des milliers de lipides différents et, en cas de déséquilibre, des maladies métaboliques et neurodégénératives peuvent apparaître. La manière dont les cellules trient les différents types de lipides entre les organites cellulaires pour maintenir la composition de chaque membrane n'est pas encore bien comprise. L'une des principales raisons est que les lipides sont difficiles à étudier, car les techniques de microscopie permettant de localiser avec précision leur emplacement à l'intérieur des cellules ont jusqu'à présent fait défaut.
Dans le cadre d'une collaboration de longue date, André Nadler, biologiste chimiste à l'Institut Max Planck de biologie cellulaire moléculaire et de génétique (MPI-CBG) de Dresde, en Allemagne, a fait équipe avec Alf Honigmann, spécialiste en bio-imagerie au Centre de biotechnologie (BIOTEC) de l'Université de technologie TUD de Dresde, pour mettre au point une méthode permettant de visualiser les lipides dans les cellules à l'aide d'une microscopie à fluorescence standard. Après la première démonstration réussie du concept, le duo a fait appel à l'expert en spectrométrie de masse Andrej Shevchenko (MPI-CBG), à Björn Drobot du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et au groupe de Martin Hof de l'Institut J. Heyrovsky de chimie physique de Prague pour étudier le transport des lipides entre les organites cellulaires.
Des lipides artificiels sous le soleil
"Nous avons commencé notre projet en synthétisant un ensemble de lipides minimalement modifiés qui représentent les principaux lipides présents dans les membranes des organites. Ces lipides modifiés sont essentiellement les mêmes que leurs homologues naturels, avec seulement quelques atomes différents qui nous ont permis de les suivre au microscope", explique Kristin Böhlig, étudiante en doctorat dans le groupe Nadler et chimiste, qui était chargée de créer les lipides modifiés.
Les lipides modifiés imitent les lipides naturels et sont "bifonctionnels", ce qui signifie qu'ils peuvent être activés par la lumière UV, ce qui permet aux lipides de se lier ou de se réticuler avec les protéines voisines. Les lipides modifiés ont été chargés dans la membrane de cellules vivantes et, au fil du temps, transportés dans les membranes des organites. Les chercheurs ont travaillé avec des cellules humaines en culture cellulaire, telles que des cellules osseuses ou intestinales, car elles sont idéales pour l'imagerie.
"Après le traitement à la lumière UV, nous avons pu suivre les lipides au moyen de la microscopie à fluorescence et saisir leur emplacement au fil du temps. Cela nous a permis d'obtenir une image complète de l'échange de lipides entre la membrane cellulaire et les membranes des organites", conclut Kristin.
Pour comprendre les données de microscopie, l'équipe a eu besoin d'un pipeline d'analyse d'images personnalisé. "Pour répondre à nos besoins spécifiques, j'ai développé un pipeline d'analyse d'images avec une segmentation automatisée des images assistée par une intelligence artificielle pour quantifier le flux de lipides à travers le système d'organelles cellulaires", explique Juan Iglesias-Artola, qui a réalisé l'analyse d'images.
Transport rapide des lipides par les protéines
En combinant l'analyse d'images et la modélisation mathématique, réalisée par Björn Drobot au HZDR, l'équipe de recherche a découvert qu'entre 85 % et 95 % du transport de lipides entre les membranes des organites cellulaires est organisé par des protéines porteuses qui déplacent les lipides, plutôt que par des vésicules. Ce transport non vésiculaire est beaucoup plus spécifique en ce qui concerne les espèces lipidiques individuelles et leur tri vers les différents organites de la cellule. Les chercheurs ont également constaté que le transport des lipides par les protéines est dix fois plus rapide que par les vésicules. Ces résultats impliquent que les compositions lipidiques des membranes des organites sont principalement maintenues par un transport lipidique rapide, spécifique aux espèces et non vésiculaire.
Dans une série d'expériences parallèles, le groupe d'Andrej Shevchenko au MPI-CBG a utilisé la spectrométrie de masse à ultra-haute résolution pour voir comment les différents lipides changent de structure pendant le transport de la membrane cellulaire à la membrane de l'organite.
Un coup de pouce pour les lipides en biologie cellulaire et dans les maladies
Cette nouvelle approche fournit la toute première carte quantitative de la façon dont les lipides se déplacent dans la cellule vers différents organites. Les résultats suggèrent que le transport non vésiculaire des lipides joue un rôle clé dans le maintien de la composition de la membrane de chaque organite.
Alf Honigmann, chef du groupe de recherche au BIOTEC, déclare : "Notre technique d'imagerie des lipides permet l'analyse mécaniste du transport et de la fonction des lipides directement dans les cellules, ce qui était impossible auparavant. Nous pensons que notre travail ouvre la voie à une nouvelle ère d'étude du rôle des lipides dans la cellule".
L'imagerie des lipides permettra d'autres découvertes et aidera à révéler les mécanismes sous-jacents des maladies causées par des déséquilibres lipidiques. La nouvelle technique pourrait potentiellement aider à développer de nouvelles cibles médicamenteuses et des approches thérapeutiques pour les maladies associées aux lipides, telles que la stéatose hépatique non alcoolique.
"Nous savions que nous tenions quelque chose de grand"
André Nadler, chef du groupe de recherche au MPI-CBG, revient sur le début de l'étude : "L'imagerie des lipides dans les cellules a toujours été l'un des aspects les plus difficiles de la microscopie. Notre projet n'était pas différent. Alf Honigmann et moi-même avons commencé à discuter de la résolution du problème de l'imagerie des lipides dès que nous avons été embauchés l'un après l'autre au MPI-CBG en 2014/15 et nous avons rapidement décidé de nous lancer. Il nous a tout de même fallu près de cinq ans entre le début du projet et le moment où, à l'automne 2019, nous avons enfin produit à deux un échantillon avec une belle coloration de la membrane plasmique. C'est à ce moment-là que nous avons su que nous tenions quelque chose de grand. En guise de récompense, certains événements mondiaux bien connus nous ont obligés à fermer nos laboratoires quelques mois plus tard. En fin de compte, ce retard a été bénéfique. Avant la révolution de l'utilisation de l'intelligence artificielle dans la segmentation des images, nous n'aurions pas été en mesure de quantifier correctement les données d'imagerie, et nos conclusions auraient donc été beaucoup plus limitées".
Les chercheurs doivent encore déterminer quelles protéines de transfert de lipides assurent le transport sélectif des différentes espèces de lipides. Ils doivent également identifier les sources d'énergie qui alimentent le transport des lipides et s'assurer que chaque organite conserve sa composition membranaire unique.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Juan M. Iglesias-Artola, Kristin Böhlig, Kai Schuhmann, Katelyn C. Cook, H. Mathilda Lennartz, Milena Schuhmacher, Pavel Barahtjan, Cristina Jiménez López, Radek Šachl, Vannuruswamy Garikapati, Karina Pombo-Garcia, Annett Lohmann, Petra Riegerová, Martin Hof, Björn Drobot, Andrej Shevchenko, Alf Honigmann, André Nadler; "Quantitative imaging of lipid transport in mammalian cells"; Nature, 2025-8-20
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