Feel the Power : un premier nano-capteur d’états d’énergie cellulaire

Protéine kinase kinase

Protéine kinase kinase

Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par Uwe Schlattner de l’Université Grenoble Alpes & Inserm, et Imre Berger de l’Université de Bristol, au Royaume-Uni, est maintenant parvenue à concevoir AMPfret, le premier nano-capteur capable de mesurer des états d’énergie dans des cellules in vivo.

Le flux d’énergie à travers les cellules est au coeur de tous les processus physiologiques. L’énergie dans les cellules est stockée sous forme de molécules appelées adénylates. La transformation de l’adénosine triphosphate (ATP) en adénosine diphosphate (ADP) et enfin en adénosine monophosphate (AMP) alimente le métabolisme. Alors que les niveaux d’ATP ne fluctuent pas beaucoup dans des conditions saines, ceux d’ADP et d’AMP sont beaucoup plus fluctuants. Ainsi, seuls les rapports ATP / ADP et ATP / AMP semblent représenter fidèlement le véritable état énergétique d’une cellule.

En raison du rôle clé du flux d’énergie dans tous les processus biologiques , un outil permettant de surveiller de tels états d’énergie cellulaire directement dans les cellules serait très utile. De nombreux efforts ont été déployés pour développer de tels capteurs, pour le moment avec une réussite limitée. Pour suivre les niveaux d’énergie cellulaire, ce capteur devrait mesurer les concentrations d’ATP, d’ADP et d’AMP à des niveaux physiologiques très faibles, ce qui n’était pas possible jusqu’à présent.

Mais récemment, une équipe internationale de scientifiques, dirigée par Uwe Schlattner de l’Université Grenoble Alpes & Inserm, et Imre Berger de l’Université de Bristol, au Royaume-Uni, est parvenue à concevoir AMPfret, le premier nano-capteur capable de mesurer des états d’énergie dans des cellules in vivo . Pour leur conception, ils ont exploité les propriétés uniques d’un complexe protéique, la protéine kinase activée par l’AMP (AMPK).

" Lorsque nous avons réussi à produire de l’AMPK fonctionnelle il y a quelque temps, nous avions rapidement découvert que la forme de l’AMPK était considérablement modifiée lorsqu’elle se lie à l’AMP au lieu de ATP (1)", se souvient Uwe Schlattner, directeur du Laboratoire de bioénergétique fondamentale et appliquée (LBFA) de Grenoble. " Forts de nos 15 années d’expérience sur l’AMPK, nous avons demandé si nous pouvions traduire cette capacité de changement de forme en un signal détectable. Nous avons décidé d’utiliser un effet appelé FRET (Förster Resonance Energy Transfer) qui se produit entre deux fluorophores en fonction de leur distance ." Cela a alors amené une autre question : comment placer et orienter les fluorophores sur la structure de l’AMPK pour obtenir un signal maximal ?

Pour relever ce défi, les équipes Schlattner et Berger ont uni leurs forces. En équipant l’AMPK, aux endroits appropriés, d’une paire spécifique de fluorophores, ils ont généré un nano-dispositif sensible émettant des signaux lumineux qu’ils pouvaient mesurer, qui est maintenant publié dans Nature Communications (2). " Les fluorophores doivent être alignés et étroitement espacés pour produire du FRET ", explique Imre Berger, directrice du centre de biologie synthétique de Bristol (BrisSynBio). " Nous avons tronqué, modifié et marqué au fluorophore de manière itérative les sous-unités de l’AMPK afin d’obtenir la géométrie correcte. »

" Nous avons été ravis de voir nos capteurs fonctionner ", a conclu Martin Pelosse, premier auteur de l’étude. " AMPfret nous a permis de détecter, pour la première fois, des états d’énergie in vivo dans des cellules en utilisant un nano-dispositif codé génétiquement. De plus, en analysant AMPfret en détail in vitro, nous pourrions également déchiffrer les longs mécanismes moléculaires insaisissables de l’enzyme AMPK."

La protéine kinase activée par l’AMP (AMPK), un complexe protéique qui change de forme lors de la liaison à l’AMP, a été réorganisée en un nano-capteur fluorescent détectant fidèlement les niveaux physiologiques d’AMP in vitro et in vivo.

Notes:

(1) Riek, U., Scholz, R., Konarev, P. Rufer, A., Suter, M., Nazabal, A., Ringler, P., Chami, M., Müller, S.A., Neumann, D., Forstner, M. Hennig, M., Zenobi, R., Engel, A. Svergun, D., Schlattner, U., and Wallimann, T. (2008) Structural properties of AMP-activated protein kinase (AMPK) : dimerization, molecular shape, and changes upon ligand binding. J. Biol. Chem. 283, 18331-18343.

(2) Pelosse, M., Cottet-Rousselle, C., Bidan, C., Dupont, A., Gupta, K., Berger, I., and Schlattner, U. (2019) Synthetic energy sensor AMPfret deciphers adenylate-dependent AMPK activation mechanism. Nat. Commun.

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Pelosse, M., Cottet-Rousselle, C., Bidan, C., Dupont, A., Gupta, K., Berger, I., and Schlattner, U. Nat. Commun. 2019

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