élasticité-tissulaire

Nous savons tous que l’exercice physique est très important pour se maintenir en bonne santé. En effet quoi de plus revigorant que de partir un matin très tôt, dès le lever du soleil pour s’étirer les jambes et le dos, et ainsi entretenir l’élasticité de nos membres. Mais comment cela se produit-il exactement. Des chercheurs du MIT ont découvert les secrets de l’élasticité tissulaire.

L’étirement qui permet aux tissus vivants de se dilater, de se contracter, de s’étirer et de se courber tout au long de la vie est le résultat d’une molécule appelée tropoélastine. Remarquablement, cette molécule peut être étirée à huit fois sa longueur et revient toujours à sa taille d’origine. Maintenant, pour la première fois, des chercheurs ont décodé la structure de cette molécule complexe, ainsi que les détails de ce qui pourrait mal se passer avec sa structure dans diverses maladies génétiques.

La tropoélastine

La tropoélestine est le précurseur de l’élastine, qui, avec des structures appelées microfibrilles, est la clé de la flexibilité des tissus, y compris la peau, les poumons et les vaisseaux sanguins. Mais cette molécule est complexe; elle est composée de 698 acides aminés et est remplie de régions désordonnées, de sorte que démêler sa structure a été un défi majeur pour la science.

Les chercheurs qui ont participé à cette étude sont notamment Markus Buehler, le professeur d’ingénierie Jerry McAfee et chef du département en génie civil du MIT ainsi qu’Anna Tarakanova, PhD.

Ce défi a été résolu par une équipe de scientifiques qui a utilisé une combinaison de modélisation moléculaire et d’observation expérimentale pour construire une image atome par atome de la structure de cette molécule. « La structure de la tropoélastine est insaisissable », explique Tarakanova. Les méthodes de caractérisation traditionnelles sont insuffisantes pour décoder cette molécule «parce qu’elle est très volumineuse, désordonnée et dynamique». Mais la combinaison de la modélisation informatique et des observations expérimentales utilisées par cette équipe «nous a permis de prédire une structure atomique de cette molécule».

Cette étude permettrait de concevoir des traitements

Cette étude a démontré comment certaines mutations pathogènes qui contrôlent la formation de la tropoélastine modifiaient la rigidité et les réponses dynamiques de cette molécule, ce qui pourrait aider à la conception de traitements ou de contre-mesures pour certaines conditions comme la rigidité lorsqu’une personne demeure dans la même position trop longtemps ou demeure assise dans une position inappropriée. Toutes ces conditions ont un impact sur les muscles et les tendons du coup.

élasticité-tissulaire-coup

D’autres mutations «artificielles» induites par les chercheurs, qui ne correspondent à aucune mutation naturelle connue, peuvent être utilisées pour mieux comprendre la fonction de la partie spécifique du gène affecté par cette mutation.

« Nous sommes intéressés à explorer une région particulière de la molécule pour comprendre la fonction de cette région », explique Tarakanova. « En plus de conférer l’élasticité, cette molécule joue un rôle clé dans la signalisation cellulaire et l’adhésion cellulaire, affectant les processus cellulaires qui sont entraînés par des interactions avec des séquences spécifiques au sein de la molécule. »

Des mutations associées à des maladies

L’étude a également examiné les changements dans la molécule de tropoélastine provoqués par des mutations qui sont associées à des maladies connues, telles que la cutis laxa, dans laquelle la peau manque d’élasticité et pend librement. « Nous avons démontré qu’une mutation ponctuelle associée à cette maladie provoque des changements dans la molécule. Le mécanisme de la maladie provient en fait des changements à l’échelle moléculaire », explique-t-elle.

cutis-laxaUn exemple extrême de cutis laxa.

La méthode qu’ils ont utilisée pour démêler la structure de la molécule de tropoélastine incluait une technique basée sur la modélisation et la simulation de la dynamique moléculaire. Bien que cette approche ait été utilisée pour étudier des structures moléculaires plus simples, «C’est le premier travail où nous avons démontré qu’elle pouvait être utilisée pour une molécule hautement désordonnée de la taille de la tropoélastine, puis validée par des données expérimentales.

Cette approche se fait en analysant « la structure globale de la molécule, dans lequel la structure moléculaire doit s’adapter. Ensuite, elle  examine en détail les structures locales et secondaires au sein de la molécule, qui ont été extraites de grandes quantités de données dans la littérature scientifique à partir de travaux expérimentaux. « La relation de la structure locale et de la structure globale nous donne un point de comparaison avec les expériences » qui valide leurs résultats, explique-t-elle.

Une approche pouvant être appliquée à la compréhension d’autres molécules

Les techniques qu’ils ont utilisées pourraient être appliquées à la compréhension d’autres molécules complexes et de grande taille, ajoute-t-elle. « Plus généralement, je pense que cette approche est applicable aux grandes molécules avec un degré élevé de désordre – et selon certaines estimations, la moitié des protéines dans notre corps contiennent des régions avec un degré élevé de désordre. Cela peut constituer un cadre très puissant pour examiner de nombreux types de systèmes biologiques.  »

«Les protéines intrinsèquement désordonnées jouent un rôle important dans de nombreux processus biologiques, de la biominéralisation à l’élasticité tissulaire», explique Peter Fratzl, professeur et directeur de l’Institut Max Planck des Colloïdes et Interfaces de Garching, en Allemagne, qui n’a pas participé à cette recherche. « Les protéines désordonnées ont des structures de courte durée souvent en réponse à l’interaction avec leur environnement. De telles structures sont très difficiles à étudier aussi bien expérimentalement que numériquement, parce que les temps de calcul peuvent être prohibitifs pour de telles entités.

« Fratzl ajoute que cette étude « montre que les algorithmes de dynamique moléculaire d’échantillonnage accéléré représentent un moyen réel de décrire le comportement de telles entités moléculaires. L’élastine et plusieurs mutations de ce composant important des matrices extracellulaires sont étudiées comme preuve de concept avec des résultats vraiment convaincants.  »

Selon Zsolt Urban, professeur agrégé en génétique humaine à l’Université de Pittsburgh, qui n’était pas non plus lié à ce travail, «l’élastine est nécessaire au bon fonctionnement des organes élastiques tels que les vaisseaux sanguins, les valves cardiaques et les poumons. Cependant, la structure complète de la tropoélastine était inconnue jusqu’à présent. Tarakanova et ses collègues ont maintenant résolu ce problème en montrant la structure de la tropoélastine à la résolution des atomes. C’est un exploit remarquable étant donné que la tropoélastine comprend plus de 8 000 atomes.  »

Une molécule très résistante et d’une longévité extrême

Urban explique : «L’élastine peut survivre longtemps chez l’être humain; environ 75 ans, et résister à des milliards de cycles d’étirement et de recul. Une question clé pour l’élastine est comment ses propriétés matérielles remarquables telles que l’extensibilité, la longévité extrême, et l’endurance se produisent. Cette étude fournit un point de départ pour répondre à cette question intrigante.  »

L’équipe de recherche comprenait également Giselle Yeo, postdoctorat, et Anthony Weiss, professeur de biochimie à l’Université de Sydney, en Australie, et Clair Baldock, professeur de biochimie à l’Université de Manchester, au Royaume-Uni de la recherche navale, de la National Science Foundation, de l’Australian Research Council et du Wellcome Trust.

Source : MIT