La quête pour déchiffrer comment les cellules du corps sentent le toucher

D’un pincement douloureux à une douce caresse, les scientifiques zooment sur les protéines sensibles à la pression qui permettent aux cellules de détecter la tension et la pression.

La jeune fille a essayé de tenir ses bras et ses mains fermement, mais ses doigts se sont tortillés et se sont tordus. Si elle fermait les yeux, le tortillement s’aggravait. Ce n’est pas qu’elle n’avait pas la force de garder ses membres immobiles – elle ne semblait tout simplement pas les contrôler.

Carsten Bönnemann se souvient d’avoir examiné l’adolescente dans un hôpital de Calgary, au Canada, en 2013. En tant que neurologue pédiatrique au US National Institute of Neurological Disorders and Stroke à Bethesda, au Maryland, il se déplaçait souvent pour examiner des cas déroutants. Mais il n’avait jamais rien vu de tel.

Si elle ne regardait pas ses membres, la fille ne semblait avoir aucune idée de l’endroit où ils se trouvaient. Elle n’avait pas le sens de la position de son corps dans l’espace, une capacité cruciale connue sous le nom de proprioception. « C’est quelque chose qui n’arrive jamais », dit Bönnemann.

Son équipe a séquencé les gènes de la fille et ceux d’une autre fille présentant des symptômes similaires et a trouvé des mutations dans un gène appelé PIEZO2. Le moment était bien choisi : quelques années plus tôt, des chercheurs à la recherche des mécanismes que les cellules utilisent pour sentir le toucher avaient découvert que le gène codait pour une protéine sensible à la pression.

La découverte de Piezo2 et d’une protéine apparentée, Piezo1, a été le point culminant d’une recherche de plusieurs décennies sur les mécanismes qui contrôlent le sens du toucher. Les Piezos sont des canaux ioniques – des portes dans la membrane cellulaire qui permettent le passage des ions – qui sont sensibles à la tension. « Nous avons beaucoup appris sur la façon dont les cellules communiquent, et cela a presque toujours été sur la signalisation chimique « , dit Ardem Patapoutian, un neurobiologiste moléculaire à Scripps Research à La Jolla, en Californie, dont le groupe a identifié les Piezos. « Ce que nous réalisons maintenant, c’est que la sensation mécanique, cette force physique, est aussi un mécanisme de signalisation, et on en sait très peu à ce sujet. »

Le toucher sous-tend le fonctionnement de presque tous les types de tissus et de cellules, dit Patapoutian. Les organismes interprètent les forces pour comprendre leur monde, pour profiter d’une caresse et pour éviter les stimuli douloureux. Dans le corps, les cellules sentent le sang passer, l’air gonfler les poumons et la plénitude de l’estomac ou de la vessie. L’audition est basée sur les cellules de l’oreille interne qui détectent la force des ondes sonores.

Au cours de la dernière décennie, l’étude de Piezos et d’autres canaux ioniques mécanosensibles a explosé. Plus de 300 articles ont été publiés sur le seul Piezos au cours des trois dernières années. L’une des plus grandes questions est de savoir comment les protéines, situées dans la membrane cellulaire, détectent et réagissent à la force. Grâce à la microscopie cryo-électronique (cryo-EM), les scientifiques ont fait des progrès dans le démêlage de la structure bizarre à trois pales des canaux piézoélectriques, mais un mécanisme complet a été insaisissable. Les chercheurs trouvent également des rôles pour les piézos au-delà du toucher ou de la proprioception. Par exemple, Piezos pourrait aider à expliquer pourquoi certaines personnes sont résistantes à la malaria, et peut-être même pourquoi les astronautes perdent leur densité osseuse en orbite. Déjà, les chercheurs commencent à penser à cibler les protéines de détection de force avec des médicaments pour traiter, par exemple, la douleur chronique.

 » Pendant longtemps, nous savions que les cellules faisaient cela, nous ne savions pas comment « , dit Miriam Goodman, une physiologiste sensorielle de l’Université de Stanford en Californie. « Piezo a vraiment changé ça. »

Touch and go

Le toucher a longtemps été un sens glissant. D’autres sens, comme la vue ou le goût, sont mieux compris, dit Patapoutian : les photons qui frappent l’œil ou les produits chimiques qui s’infiltrent dans le nez et la langue activent tous des récepteurs de la même famille. Ces récepteurs déclenchent l’ouverture des canaux ioniques et permettent aux ions positifs d’entrer. Cela dépolarise la cellule, convertissant le stimulus en un signal électrique que le cerveau peut décoder.

Les scientifiques soupçonnent qu’au niveau du toucher, de la proprioception et de l’audition, une protéine agit à la fois comme capteur de force et comme canal ionique, car au niveau de l’audition, la signalisation se fait rapidement – en quelques microsecondes. Mais l’identité de ces protéines unifiées du canal sensoriel restait pour la plupart mystérieuse – du moins chez les mammifères. Les chercheurs avaient trouvé certains canaux mécanosensibles chez les bactéries, les mouches des fruits et les vers nématodes.

Patapoutian et son collègue Bertrand Coste ont donc élaboré un plan. Ils allaient commencer avec un type de cellule de souris qu’ils savaient capable de transformer un minuscule coup de pipette en un courant électrique mesurable. Puis, M. Coste éliminerait les gènes candidats des canaux ioniques, un gène différent dans chaque lot de cellules, et chercherait un lot qui perdrait soudainement sa sensibilité au toucher. Coste a commencé en toute confiance, pensant qu’il faudrait quelques mois, voire des semaines, pour trouver un résultat.

Cela a pris la majeure partie de l’année. Puis, peu avant la fin de 2009, il a vu quelque chose – ou plutôt, rien. Coste a piqué avec sa pipette, et le portable n’a pas répondu. Il a dû éliminer un canal sensible à la force.

« C’était une très belle journée », se souvient Coste, aujourd’hui au CNRS à Marseille. Avec Patapoutian, il a nommé le gène de souris Piezo1, du mot grec signifiant pression, et a rapidement identifié Piezo2. Plus tard, l’équipe a relié directement Piezo2 à la sensation de toucher dans les neurones sensoriels et les cellules de la peau des souris.

Lames cachées

Les chercheurs ont été stupéfaits du résultat, se rappelle M. Goodman, en particulier parce que les protéines piézoélectriques étaient si grandes et si complexes. Composée de plus de 2 500 acides aminés et pesant 300 kilodaltons, la structure de Piezo1 traverse la membrane cellulaire 38 fois, un record. (À titre de comparaison, les protéines des mammifères contiennent généralement plus de 500 acides aminés).

Malheureusement, cette taille gargantuesque a empêché les chercheurs d’essayer de répondre aux questions les plus brûlantes dans le domaine du piézo : comment les canaux perçoivent-ils la force ? Et comment s’ouvrent et se ferment ils ? Une structure protéique est d’une grande aide pour ce genre de questions, dit le biophysicien Roderick MacKinnon à l’Université Rockefeller à New York. « On ne sait pas tant qu’on ne l’a pas vu. »

Les techniques structurales comme la cristallographie aux rayons X et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire ont du mal à faire face à des protéines complexes de grande taille, explique le neuroscientifique Bailong Xiao de l’Université Tsinghua de Beijing, ancien stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Patapoutian.

Heureusement, alors que Xiao installait son laboratoire en 2013, une autre option pour obtenir des structures à haute résolution était en train de voir le jour : le cryo-EM. Son groupe a utilisé cette méthode pour rapporter la première structure de Piezo1 en 2015, et depuis lors, plusieurs versions à plus haute résolution ont suivi du groupe de Xiao, de MacKinnon et de Patapoutian. En septembre dernier, Xiao a poursuivi avec une image de Piezo2, qui est similaire à Piezo1 en taille et en forme. La photo de Piezo2 prise par Xiao était la vue la plus claire à ce jour des extrémités des trois lames, qui se déplacent et sont donc difficiles à capturer.

Les images étaient saisissantes. Trois protéines piézoélectriques sont réunies dans un trimère qui chevauche la membrane plasmique (voir  » Capteurs de pression « ). Depuis le pore central, trois bras s’étendent en spirale comme les pales d’une hélice. Ils se courbent et s’écartent, créant un profond sillon à la surface de la cellule.

Patapoutian et Xiao pensent que lorsqu’une force frappe la membrane, les lames déplacent des  » faisceaux  » de protéines à l’intérieur du canal, ce qui entraîne d’une certaine manière l’ouverture du pore. Pour MacKinnon, la façon inhabituelle dont les lames de Piezos plissent la membrane suggère un mécanisme différent : si une poussée ou une traction augmente la tension de la membrane, le canal incurvé pourrait s’aplatir, ouvrant le pore.

Ces hypothèses ne peuvent pas encore être testées, car les chercheurs n’ont pu étudier que des protéines piézoélectriques isolées, séparées de leur membrane et en conformation fermée. Le fait de prendre une photo d’un Piezo dans une membrane et en conformation ouverte devrait aider les scientifiques à comprendre ses secrets.  » Nous voulons le voir dans son environnement naturel « , dit M. Patapoutian.

Plusieurs labos essaient d’imager un Piezo ouvert. Le groupe de Patapoutian utilise un composé activateur de Piezo1 qu’il a nommé Yoda1 d’après le diminutif du maître Jedi de Star Wars. Patapoutian espère qu’avec la présence de Yoda1, Piezo1 pourrait s’ouvrir pour une photo. Il s’intéresse également à l’insertion de protéines Piezo dans des membranes artificielles appelées nanodisques, ce qui pourrait aider à stabiliser la conformation ouverte. Xiao, pendant ce temps, travaille avec la tomographie cryo-électronique, qui implique l’imagerie de l’échantillon à différents angles d’inclinaison, et pourrait aider à clarifier la structure dans une membrane native ou artificielle.

Tache douloureuse

Parallèlement aux études structurales, les scientifiques découvrent que les protéines piézoélectriques ont des rôles divers dans l’organisme.

En 2014, le neuroscientifique Alex Chesler venait de rejoindre le National Center for Complementary and Integrative Health à Bethesda. Inspiré par la découverte de Coste, il créait des souris dépourvues de Piezo2 pour étudier le rôle de la chaîne dans le contact. Puis, un jour, il a reçu un courriel de Bönnemann, qui travaillait dans son immeuble, à propos des filles qui manquaient de proprioception.

Chesler est monté directement dans le bureau de Bönnemann. Haletant, il annonça : « Vous n’avez aucune idée de ce que vous avez. » Chesler ne pouvait pas demander directement aux souris dépourvues de Piezo2 ce qu’elles ressentaient, ou plutôt ne ressentaient pas – mais il pouvait demander aux gens.

Avec Bönnemann, il a invité les filles à Bethesda pour évaluer plus en détail leur état. Les deux filles pouvaient remarquablement bien compenser leur handicap, en utilisant la vision pour les aider à marcher en ligne ou à toucher une cible. Mais les yeux bandés, elles se sont débattues. De même, elles pouvaient sentir la vibration d’un diapason contre leur peau parce qu’elles pouvaient l’entendre. Tout en portant des écouteurs antibruit, elles ne remarquaient pas du tout la vibration.

Patapoutian a constaté le même phénomène chez la souris : sans Piezo2 dans les nerfs qui alimentent les muscles et les tendons, elles manquaient de proprioception et n’étaient pas coordonnées. Son équipe a également trouvé un rôle pour le Piezo2 dans les neurones sensibles à la douleur dans l’allodynie, un type spécifique de sensation de douleur dans lequel même une caresse douce donne l’impression d’être piquée avec des aiguilles. Certaines personnes souffrant de douleurs neuropathiques ressentent cette hypersensibilité en permanence.

Les souris présentent normalement une allodynie lorsqu’on leur injecte de la capsaïcine – la molécule épicée que l’on trouve dans les piments forts – ou après une lésion nerveuse, mais pas s’il leur manque le gène Piezo27. Chesler et Bönnemann ont signalé des changements similaires de la perception de la douleur chez les personnes porteuses de mutations PIEZO28.

«  La douleur chronique a un effet tellement débilitant « , déclare Swetha Murthy, qui a dirigé l’une des études sur l’allodynie alors qu’elle était en postdoctorat avec Patapoutian. « Je pense qu’on peut commencer à chercher des cibles médicamenteuses pour le Piezo2 pour ces neuropathies. » Le Patapoutian et le Chesler sont tous deux à la recherche de composés qui bloqueraient l’activité de Piezo2 au site de la douleur, sans interférer avec les autres rôles de la protéine dans l’ensemble du corps. « Il y a un énorme potentiel pour la découverte de médicaments par le canal piézoélectrique « , dit Xiao.

Il n’y a pas que les neurones qui ont besoin de sentir le toucher ; presque toutes les cellules sont soumises à une sorte de force. Prenez les globules rouges, qui se déforment pour passer à travers de minuscules capillaires. Les mutations qui hyperactivent Piezo1 provoquent le ratatinage des cellules sanguines, ce qui peut provoquer l’anémie chez les personnes atteintes d’une maladie rare appelée stomatocytose héréditaire déshydratée.

Ces cellules sanguines ratatinées rappelaient à Patapoutian la drépanocytose. La mutation du gène de la drépanocytose a persisté chez de nombreuses personnes d’origine africaine parce qu’elle protège contre la malaria, et Patapoutian se demande si les mutations PIEZO1 pourraient faire de même.

Si oui, il devrait y avoir un taux relativement élevé de ces mutations chez les personnes d’origine africaine. Des recherches dans la base de données ont révélé que Patapoutian avait raison : en fait, une variante particulière de PIEZO1 est apparue chez un tiers des personnes de la base de données ayant une ascendance africaine. Une équipe distincte a signalé que les porteurs de cette mutation PIEZO1 sont résistants au paludisme avancé.

Piezo1 a également un rôle dans la formation et le maintien des os, selon les travaux du laboratoire de Xiao. Lorsque son équipe a éliminé Piezo1 dans des ostéoblastes de souris – des cellules qui fabriquent des os – les animaux ont grandi plus courts et plus maigres que la normale. Les os longs qui supportent le poids du corps étaient plus légers, plus minces et plus faibles que chez les souris témoins.

De plus, les souris de type sauvage qui sont partiellement en suspension dans l’air – de sorte qu’elles n’ont pas à supporter tout leur poids corporel – ont des niveaux plus faibles d’expression de Piezo1 et de masse osseuse. C’est un phénomène qui ressemble beaucoup à ce qui arrive aux personnes atteintes d’ostéoporose, à celles qui sont alitées et aux astronautes et cosmonautes à bord de la Station spatiale internationale, explique Xiao.

Points de pression

 » La découverte de Piezos a été un énorme pas en avant pour tout le domaine « , dit Kate Poole, biologiste à l’Université de New South Wales à Sydney, Australie, mais  » il est également clair que l’histoire n’est pas seulement Piezos « .

Les scientifiques intéressés par l’audition poursuivent le canal pertinent depuis quatre décennies.  » Il y a eu beaucoup de fausses pistes en cours de route « , dit Jeffrey Holt, un neuroscientifique de l’Hôpital pour enfants de Boston, au Massachusetts. « Maintenant, nous pensons que nous avons une assez bonne maîtrise de la situation. »

La protéine du canal clé est appelée TMC1. Lorsque Holt a modifié les acides aminés dans la TMC1, la procédure a changé la capacité des cellules de l’oreille interne à traduire les signaux mécaniques en signaux électriques. Un autre rapport a montré que la TMC1 purifiée est capable de créer un canal ionique mécanosensible dans des bulles membranaires artificielles. La structure de TMC1 demeure toutefois un mystère, car la protéine a été difficile à purifier en quantité suffisante pour obtenir de bonnes images par cryo-EM.

L’équipe de Patapoutian, quant à elle, est à la recherche de familles de canaux entièrement nouvelles. En 2018, lui, Murthy et Andrew Ward, biologiste structurel de Scripps, ont rapporté ce qu’ils pensent être le plus grand groupe de canaux activés mécaniquement. Ils connaissaient une famille de protéines qui aide les plantes à ressentir la pression osmotique – les protéines OSCA – et ont pensé qu’elles pourraient ressentir la force de façon plus générale. Dans les cellules rénales humaines, les OSCA ont effectivement réagi à l’étirement de la membrane cellulaire de Murthy.

Les chercheurs savaient également, grâce à des études antérieures, que les protéines OSCA étaient étroitement liées à une autre famille de protéines chez les mammifères, les protéines TMEM63. Les canaux TMEM63 des souris, des humains et même des mouches à fruits ont également répondu à l’étirement dans les essais de Murthy, de sorte que les protéines OSCA et TMEM63 constituent une grande famille de capteurs de force qui est commune à de nombreux êtres vivants.

Les canaux découverts jusqu’ici ne peuvent pas expliquer tous les cas de mécano-sensibilité cellulaire, dit Murthy, maintenant biophysicien et neuroscientifique à l’Oregon Health & Science University à Portland. Il doit y avoir davantage de mécanosenseurs.

Et ces capteurs ont probablement plus d’emplois que ce que l’on connaît aujourd’hui, dit Patapoutian. « Nous avons à peine effleuré la surface. »

Via Nature

 

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