Des scientifiques développent une nouvelle technique pour étudier les mitochondries

Dans leur rapport du 14 février 2023, dans le Journal de biologie cellulaireles scientifiques ont décrit un ensemble de techniques qui permettent l’imagerie et la quantification de changements structurels même subtils à l’intérieur des mitochondries, et la corrélation de ces changements avec d’autres processus en cours dans les cellules.

Les mitochondries sont impliquées non seulement dans la production d’énergie, mais également dans plusieurs autres fonctions cellulaires critiques, notamment la division cellulaire et les réponses de préservation des cellules à divers types de stress. Des dysfonctionnements mitochondriaux ont été observés dans une multitude de maladies, dont la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et différents cancers, et les chercheurs sont impatients de développer des traitements capables d’inverser ces dysfonctionnements. Mais les outils scientifiques pour étudier les détails fins de la structure des mitochondries ont été limités.

“Nous disposons désormais d’une nouvelle boîte à outils puissante pour détecter et quantifier les différences structurelles, et donc fonctionnelles, dans les mitochondries – par exemple, dans les états malades par rapport aux états sains”, déclare l’auteur principal de l’étude, Danielle Grotjahn, PhD, professeure adjointe au Département de structure intégrative. et biologie computationnelle à Scripps Research.

Les co-premiers auteurs de l’étude étaient les membres du laboratoire de Grotjahn, Benjamin Barad, PhD, associé de recherche postdoctoral, et Michaela Medina, doctorante.

Les mitochondries sont l’une des nombreuses machines moléculaires liées à la membrane, ou “organites”, qui résident dans les cellules des plantes et des animaux. Généralement au nombre de centaines à des milliers par cellule, les mitochondries ont leurs propres petits génomes et ont une structure distinctive avec une membrane externe et une membrane interne ondulée où se produisent les réactions biochimiques clés. Les scientifiques savent que l’apparence des structures mitochondriales peut changer radicalement en fonction de ce que fait la mitochondrie ou des contraintes présentes dans la cellule. Ces changements structurels peuvent donc être des marqueurs très utiles des conditions cellulaires, bien qu’il n’y ait pas eu jusqu’à présent de bonne méthode pour les détecter et les quantifier.

Dans l’étude, l’équipe de Grotjahn a mis au point une boîte à outils informatique pour traiter les données d’imagerie à partir d’une technique de microscopie appelée cryo-tomographie électronique (cryo-ET) – qui image essentiellement des échantillons biologiques en trois dimensions, en utilisant des électrons au lieu de la lumière. La “boîte à outils de morphométrie de surface” des chercheurs, comme ils l’appellent, permet la cartographie détaillée et la mesure des éléments structurels des mitochondries individuelles. Cela inclut les courbures de la membrane interne et les espaces entre les membranes – tous des marqueurs potentiellement utiles d’événements mitochondriaux et cellulaires importants.

“Cela nous permet essentiellement de transformer les belles images 3D des mitochondries que nous pouvons obtenir de la cryo-ET en mesures quantitatives sensibles – que nous pouvons potentiellement utiliser pour aider à identifier les mécanismes détaillés des maladies, par exemple”, dit Barad.

L’équipe a démontré la boîte à outils en l’utilisant pour cartographier les détails structurels des mitochondries lorsque leurs cellules sont soumises à un stress du réticulum endoplasmique – un type de stress cellulaire souvent observé dans les maladies neurodégénératives. Ils ont observé que les principales caractéristiques structurelles telles que la courbure de la membrane interne ou la distance minimale entre les membranes interne et externe changeaient de manière mesurable sous cette contrainte.

Avec leurs démonstrations réussies et de preuve de principe de la nouvelle boîte à outils, le laboratoire de Grotjahn l’utilisera désormais pour étudier plus en détail comment les mitochondries réagissent aux stress cellulaires ou à d’autres changements induits par des maladies, des toxines, des infections et même des produits pharmaceutiques.

“Nous pouvons comparer les effets sur les mitochondries dans les cellules traitées avec un médicament par rapport aux effets sur les mitochondries non traitées, par exemple”, explique Medina. “Et cette approche ne se limite pas aux mitochondries – nous pouvons également l’utiliser pour étudier d’autres organites dans les cellules.”

“Quantifying organellar ultrastructure in cryo-electron tomography using a surface morphometrics pipeline,” a été co-écrit par Benjamin Barad, Michaela Medina, Daniel Fuentes, Luke Wiseman et Danielle Grotjahn, tous de Scripps Research.

La recherche a été financée en partie par les National Institutes of Health (R01NS095892, RF1NS125674) et l’American Cancer Society.