Des chercheurs du Centre Max Delbrück de médecine moléculaire de l'Association Helmholtz (MDC) ont développé un modèle de souris qui leur permet de regarder à l'intérieur d'un muscle en activité et d'identifier les protéines qui permettent au sarcomère de se contracter, de se détendre, de communiquer ses besoins énergétiques et de s'adapter à exercice. Plus précisément, ils ont pu cartographier les protéines dans des sous-régions définies du sarcomère, à partir du «disque Z», la frontière entre les sarcomères voisins. Cela en soi était une avancée significative dans l'étude du muscle strié.
Dans le processus, ils ont fait une découverte inattendue: la myosine, l'une des trois principales protéines qui composent les fibres musculaires striées, semble entrer dans le disque Z. Les modèles de la façon dont la myosine, l'actine et la titine de la protéine d'échafaudage élastique travaillent ensemble ont largement ignoré la possibilité que les filaments de myosine pénètrent dans la structure du disque Z. Ce n'est que récemment que des scientifiques allemands ont émis l'hypothèse que c'est le cas, mais aucune preuve expérimentale n'a validé le modèle jusqu'à présent.
«Cela va être inattendu même pour les chercheurs sur la myosine», explique le professeur Michael Gotthardt, qui dirige le laboratoire de biologie cellulaire neuromusculaire et cardiovasculaire de MDC et a dirigé la recherche. « Cela revient à l'essentiel de la façon dont les muscles génèrent de la force. »
Qui est là?
L'équipe de Gotthardt comprenant les premiers auteurs Dr. Franziska Rudolph et Dr. Claudia Fink avec l'aide de collègues du MDC et de l'Université de Göttingen, n'a jamais cherché à valider cette théorie. Leur objectif principal était d'identifier les protéines dans et à proximité du disque Z. Pour ce faire, ils ont développé un modèle de souris avec une enzyme artificielle, appelée BioID, insérée dans la protéine titine géante. Le Titin-BioID a ensuite marqué les protéines près du disque Z.
Les sarcomères sont de minuscules machines moléculaires, remplies de protéines qui interagissent étroitement. Jusqu'à présent, il était impossible de séparer les protéines spécifiques aux différentes sous-régions, en particulier dans les muscles vivants et fonctionnels.
Titin-BioID sonde in vivo des régions spécifiques de la structure du sarcomère. Cela n'a pas été possible auparavant. «
Dr Philipp Mertins, chef du laboratoire de protéomique de MDC
L'équipe est la première à utiliser BioID sur des animaux vivants dans des conditions physiologiques et a identifié 450 protéines associées au sarcomère, dont environ la moitié étaient déjà connues. Ils ont trouvé des différences frappantes entre le cœur et le muscle squelettique et les souris adultes par rapport aux souris néonatales, qui sont liées à la structure, à la signalisation et au métabolisme des sarcomères. Ces différences reflètent la nécessité pour les tissus adultes d'optimiser les performances et la production d'énergie par rapport à la croissance et au remodelage des tissus néonatals.
« Nous voulions savoir qui est là, savoir qui sont les joueurs », explique Gotthardt. « La plupart étaient attendus, validant notre approche. »
La surprise
La protéine qu'ils ne s'attendaient pas à voir dans le disque Z était la myosine, qui est intégrée au site opposé du sarcomère. Lorsqu'un muscle est déclenché pour se déplacer, la myosine marche le long de l'actine, rapprochant les disques Z voisins. Ce glissement des filaments d'actine et de myosine crée la force qui permet à notre cœur de pomper le sang ou notre muscle squelettique pour maintenir la posture ou soulever un objet.
Ce soi-disant « modèle de filament coulissant » du sarcomère décrit la production de force et aide à expliquer comment la force et la longueur du sarcomère sont liées. Cependant, les modèles actuels ont du mal à prédire le comportement des sarcomères complètement contractés. Ces modèles ont supposé que la myosine n'entre pas dans le disque Z lors de sa marche le long de l'actine. Il y a eu quelques indices que cela pourrait peut-être continuer. « Mais nous ne savions pas si ce que nous voyions dans des échantillons de tissus tachés était un artefact ou une vraie vie », explique Gotthardt. « Avec BioID, nous pouvons nous asseoir sur le disque Z et regarder passer la myosine. »
Gotthardt est d'accord avec la théorie proposée selon laquelle la myosine pénétrant dans le disque Z peut limiter ou amortir la contraction. Cela pourrait aider à résoudre le problème actuel que les scientifiques ont eu à calculer la force qu'une fibre musculaire peut créer par rapport à sa longueur et conduire à un modèle raffiné du sarcomère et éventuellement servir à protéger les muscles d'une contraction excessive.
Pourquoi est-ce important
Il est important de comprendre comment les fibres musculaires s'étendent et se contractent au niveau moléculaire dans des conditions normales afin que les chercheurs puissent ensuite identifier ce qui ne va pas lorsque les muscles sont endommagés, malades ou s'atrophient avec l'âge. L'identification des protéines qui causent des problèmes pourrait potentiellement aider à identifier de nouvelles cibles de traitement pour les patients souffrant de maladies cardiaques ou de troubles des muscles squelettiques.
Gotthardt et son équipe prévoient d'utiliser ensuite BioID pour étudier des animaux avec différentes pathologies, pour voir quelles protéines sont impliquées dans l'atrophie musculaire, par exemple. « Peut-être qu'une protéine qui n'est pas normalement présente dans le sarcomère fait partie de la pathologie », explique Gotthardt. « Nous pouvons le trouver avec BioID. »
La source:
Centre Max Delbrück de médecine moléculaire de l'Association Helmholtz
Référence de la revue:
Rudolph, F., et al. (2020) Deconstructing sarcomeric structure – function relations in titin-BioID knock-in mouse. Communications Nature. doi.org/10.1038/s41467-020-16929-8.