La compréhension émerge : les scientifiques du LBM visualisent la création de condensats
L'une des énigmes de la vie est l'émergence, lorsque le tout devient plus que ses parties. Les volées d'oiseaux peuvent instantanément changer de direction à l'apparition d'un prédateur, guidées non pas par un oiseau de tête mais par une intelligence collective qu'aucun oiseau ne peut posséder à lui seul.
Des multitudes de molécules se déplacent de manière chaotique dans une cellule, mais certaines d'entre elles se retrouvent, interagissent et donnent naissance à des structures et fonctions cellulaires sophistiquées qui n'auraient pas pu être prédites par l'étude des seules molécules.
Comprendre comment les propriétés émergentes apparaissent dans les cellules - dans ce cas, comment des gouttelettes de liquide appelées condensats se forment spontanément à partir de molécules en mouvement rapide - "est un problème vraiment difficile, surtout si nous voulons relier les propriétés moléculaires aux propriétés des condensats", déclare Michael Rosen , chercheur Whitman au Marine Biological Laboratory (MBL) de l'University of Texas Southwestern Medical Center.
Mais cette semaine, dans Science, Rosen et 10 autres membres d'une vaste collaboration au MBL, le Chromatin Consortium, proposent un modèle attendu depuis longtemps pour expliquer comment les propriétés d'un condensat peuvent émerger des propriétés des molécules individuelles qui le composent.
Leurs découvertes portent sur la chromatine, le matériau densément compacté des chromosomes qui contient nos informations génétiques - de longs brins d'ADN - étroitement enroulés autour de protéines.
Dans cette étude, les scientifiques ont combiné deux technologies puissantes - l'imagerie (cryoET) pour visualiser les unités de base de la chromatine (les nucléosomes) et des simulations informatiques avancées pour explorer la manière dont ces unités s'associent pour former des condensats - "pour nous donner une vue d'un condensat que nous n'avions jamais eue auparavant, en termes de détails et de niveau de compréhension", déclare Rosen.
Dans la chromatine, les nucléosomes sont reliés entre eux comme des perles sur un fil, par des portions d'ADN de liaison. Il s'avère que la longueur de l'ADN de liaison est très importante pour déterminer la structure des nucléosomes successifs sur la chaîne, et ces structures de nucléosomes définissent finalement la manière dont les molécules se lient entre elles pour former le condensat.
Au-delà de la chromatine, ces nouveaux travaux fournissent un modèle pour étudier et comprendre l'organisation et la fonction de nombreux types de condensats. Ces condensats sans membrane remplissent de nombreuses fonctions importantes dans toute la cellule, qu'il s'agisse de réguler l'expression des gènes ou de répondre au stress.
Comprendre comment ces structures ressemblant à des gouttelettes se forment et fonctionnent peut aider les chercheurs à comprendre ce qui se passe lorsque la condensation se dérègle, un facteur contribuant potentiellement à différentes maladies, des troubles neurodégénératifs au cancer.
"Grâce à cette recherche, nous comprendrons mieux comment une condensation anormale peut conduire à différentes maladies et, potentiellement, cela pourrait nous aider à développer une nouvelle génération de thérapies", explique Huabin Zhou, chercheur postdoctoral au laboratoire Rosen et auteur principal de cette nouvelle recherche.
Image reconstituée de l'unité de base de la chromatine, le nucléosome. Les nucléosomes sont reliés entre eux comme des perles sur un fil, par des portions d'ADN de liaison. Pour former un condensat, ces chaînes se lient les unes aux autres pour créer un grand réseau.
Zhou et al., Science, 2025
Le rôle essentiel du LBM
Depuis l'observation de la formation de condensats dans des cellules vivantes lors du cours de physiologie du LBM en 2008, "l'un des objectifs de longue date de la communauté a été de relier le comportement des molécules à celui des condensats", explique M. Rosen.
En 2012, dans un article important publié dans Nature, le laboratoire de Rosen a proposé un mécanisme biochimique pour la formation de condensats in vitro. Sept ans plus tard, son laboratoire a été le premier à reconnaître officiellement la capacité de la chromatine à former des condensats.
Pourtant, la visualisation de la transition réelle d'une collection de molécules à une gouttelette liquide reste difficile à comprendre.
"Il s'agit d'une transition d'échelle", explique M. Rosen. "Les molécules sont à l'échelle du nanomètre et les condensats sont à l'échelle du micron, et les condensats ont des propriétés qui sont propres à leur échelle, comme la viscosité. On ne peut pas parler de la viscosité d'une molécule. La viscosité apparaît lorsque des milliers ou des millions de molécules se rassemblent pour former un liquide".
Le Chromatin Consortium s'est réuni au MBL au cours des trois derniers étés. Les données de cryo-ET (imagerie), qu'ils ont obtenues au HHMI Janelia et apportées à Woods Hole, leur ont montré où se trouvaient les unités de chromatine (les nucléosomes). Au LBM, ils se sont efforcés d'augmenter la résolution de ces données, en utilisant des simulations informatiques dirigées par Rosana Collepardo-Guevara de l'université de Cambridge, afin de comprendre exactement comment les nucléosomes se collent les uns aux autres pour produire le condensat.
"Pour découvrir les détails moléculaires enfouis dans les images cryo-ET, nous avons dû concevoir un nouveau modèle informatique (un modèle à gros grains) qui pouvait à la fois s'adapter aux condensats et capturer fidèlement la chimie sous-jacente des nucléosomes", explique Collepardo-Guevara.
"Les modèles à gros grains simplifient toujours la réalité ; comme le dit l'adage, tous les modèles sont faux, mais certains sont utiles. Ce qui a rendu le nôtre utile, c'est le LBM", ajoute Collepardo-Guevara. "Le fait d'être ensemble pendant des semaines au cours de trois étés, d'étudier des cartes cryo-ET et d'autres données expérimentales, de tester des simulations et de débattre de ce que les données nous disaient vraiment, a permis de comprendre ce problème. Au LBM, notre stratégie de simulation est passée d'une idée à une méthode puissante que mon groupe n'aurait pas pu mettre au point seul. Le LBM apporte un niveau de concentration et de réflexion collective interdisciplinaire qui permet de réaliser des percées.
"Ce n'était pas seulement difficile sur le plan technique, c'était aussi difficile sur le plan conceptuel", ajoute M. Rosen. "Je crois sincèrement que nous n'aurions pu y parvenir que grâce à notre programme commun au LBM. Il nous a fallu parler, parler, parler et parler de la manière de mettre cela en œuvre... Pendant quatre à six semaines au MBL chaque été, nous avons vécu et respiré ces choses ensemble."
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
Huabin Zhou, Jan Huertas, M. Julia Maristany, Kieran Russell, June Ho Hwang, Run-Wen Yao, Nirnay Samanta, Joshua Hutchings, Ramya Billur, Momoko Shiozaki, Xiaowei Zhao, Lynda K. Doolittle, Bryan A. Gibson, Andrea Soranno, Margot Riggi, Jorge R. Espinosa, Zhiheng Yu, Elizabeth Villa, Rosana Collepardo-Guevara, Michael K. Rosen; "Multiscale structure of chromatin condensates explains phase separation and material properties"; Science, Volume 390
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