Nous ignorons la moitié de ce qu'il y a dans nos cellules

Quand on regarde un manuel de biologie, on peut voir qu'une cellule est constituée de plusieurs organitesorganites, comme le noyau, le réticulum endoplasmique (qui fabrique les protéines et les lipideslipides), le ribosome (chaîne de fabrication des protéines), l'appareil de Golgiappareil de Golgi (qui stocke les protéines et les lipides produits par le réticulum) ou les mitochondries (la « centrale énergétique » de la cellule). Mais nos cellules contiennent bien plus que ça. En fait, près de la moitié des structures cellulaires n'auraient encore jamais été recensées, estime une nouvelle étude parue le 24 novembre dans la revue Nature.

Deux échelles de taille incompatibles

Les organites et les protéines constituant nos cellules sont étudiés depuis de nombreuses années, grâce notamment aux techniques d'imagerie microscopique et à la spectrométrie de massespectrométrie de masse couplée à la purification affinitaire (AP-MS). Dans le premier cas, on ajoute des « étiquettes » fluorescentes aux protéines d'intérêt pour suivre leur déplacement et la façon dont elles se lient aux différentes parties de la cellule. Avec l'AP-MS, on attache un anticorpsanticorps à la protéine pour l'extraire de la cellule et vérifier ce qui y est attaché par spectrométrie ou chromatographiechromatographie. Grosso modo, l'imagerie permet de positionner les protéines par rapport aux repères cellulaires tels que le noyau, tandis que l'AP-MS positionne les protéines par rapport à leurs voisines.

L’organisation d’une cellule humaine. © rob3000, Adobe Stock – traduction et adaptation C.D

Les microscopesmicroscopes les plus performants descendent à l'échelle du micromètremicromètre, ce qui est à peu près la taille des principaux organites comme les mitochondries. La spectrométrie de masse permet d'observer des protéines à l'échelle moléculaire de l'ordre du nanomètrenanomètre, c'est-à-dire 1.000 fois plus petit qu'un micromètre. Mais entre les deux, on a une sorte de « trou » où l'on ne sait pas grand-chose, et on n'arrive pas vraiment à relier les deux échelles.

Une carte du contenu cellulaire

Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs dirigée par Trey Ideker, bio-informaticienbio-informaticien à l'université de San Diego en Californie, a eu recours à l’intelligence artificielle. Les chercheurs ont utilisé un programme baptisé MuSIC pour créer une carte hiérarchisée et unifiée de l'architecture des cellules humaines. « Nous utilisons d'abord des réseaux neuronaux pour inscrire chaque protéine dans un petit nombre de dimensions sur la base de l'imagerie ou d'AP-MS. Une fois que les coordonnées protéiques ont été déterminées pour chaque plateforme, les distances entre les protéines sont étalonnées par paire et combinées pour révéler des assemblages à différentes échelles, du très petit (moins de 50 nanomètres) au très grand (plus de 1 micromètre) », décrit Yue Qin, principal auteur de l'étude. On obtient ainsi une cartographie avec des « nœudsnœuds », dont la taille reflète le nombre de protéines présentes dans ce nœud.

De droite à gauche : les protéines identifiées par AP-MAS, celles identifiées par imagerie, et l’association des deux grâce au programme d’intelligence artificielle MuSIC. © Yue Qin et al., Nature, 2021

70 structures cellulaires inconnues au bataillon

Les chercheurs ont testé leur modèle sur des cellules rénales humaines avec 661 protéines déjà connues. « L'IA a ensuite analysé toutes les distances entre ces protéines pour identifier les communautés de protéines à proximité mutuelle, suggérant des composants distincts », détaille Yue Qin. MuSIC a ainsi révélé environ 70 composants à l'intérieur d'une lignée de cellules rénales humaines, dont la moitié n'avaient encore jamais été vus auparavant. L'analyse a par exemple révélé l'existence d'un groupe de protéines qui se lie à l'ARNARN et probablement impliqué dans l'épissage (maturation de l’ADN pour donner un ARN messager qui sera ensuite traduit en protéine). Le fin mot de l'histoire est loin d'être connu. « Il ne s'agit là que d'un exemple impliquant 661 protéines. La prochaine étape est de passer à différents types de cellules, personnes et espèces », poursuit le chercheur.

Ces découvertes ne sont pas un simple hobby de scientifique. De nombreuses maladies sont liées à un dysfonctionnement au niveau cellulaire (mutation génétique sur la chaîne mitochondriale, défaut du processus d'épissage...). Leur connaissance pourrait permettre de comprendre et de traiter ces maladies.