Une nouvelle sonde aide à de nouvelles découvertes sur les fonctions cellulaires

Jiajie Diao, PhD, et Yujie Sun, PhD, de l’UC, sont les auteurs principaux d’une nouvelle recherche publiée le 4 mai dans Capteurs ACS.

Zoom sur les endolysosomes

Les recherches de l’équipe se sont concentrées sur les organites, ou structures spécialisées qui effectuent diverses tâches à l’intérieur des cellules, appelées endolysosomes. Les lysosomes sont des organites qui agissent comme le “centre de recyclage” de la cellule, réutilisant des blocs de construction cassés ou défectueux à des fins différentes, et les endolysosomes sont un sous-ensemble de lysosomes qui commencent comme un organite différent appelé endosome.

Les lysosomes sont un organite important à étudier car des anomalies peuvent entraîner ce que l’on appelle des maladies de stockage lysosomal qui provoquent une accumulation de substances toxiques dans les cellules. Des anomalies de la fonction des lysosomes sont également associées aux maladies neurodégénératives et au cancer.

“Si les lysosomes ne fonctionnent pas normalement, la cellule accumulera beaucoup de déchets, entraînant éventuellement la mort cellulaire”, a déclaré Diao, membre du centre de cancérologie de l’Université de Cincinnati et professeur agrégé au département de biologie du cancer de la faculté de médecine de l’UC.

Dans le processus de transition d’un endosome à un lysosome, ces organites changent leurs niveaux de pH d’un environnement neutre à un environnement acide. Si l’environnement n’est pas suffisamment acide, les lysosomes ne peuvent pas faire correctement leur travail d’élimination et de recyclage des déchets.

“Nous essayons d’imaginer ce processus et de suivre l’ensemble du processus de changement de l’endolysosome et de déterminer dans quel état et à quel endroit ces endolysosomes deviendront anormaux”, a déclaré Diao.

Nouvelle sonde

L’équipe de Diao et Sun a publié l’année dernière des recherches sur la sonde ECGreen qui a pris une teinte verte plus brillante lorsque l’environnement cellulaire devient plus acide. Bien qu’il s’agisse d’un pas en avant, Diao a déclaré qu’ECGreen avait encore des limites.

“Il est difficile d’évaluer la valeur absolue, car je ne peux que savoir qu’elle est devenue plus faible”, a déclaré Diao. “L’intensité devient plus élevée, mais à quelle hauteur est-elle élevée ? Il n’y a aucun moyen de calibrer cette valeur.”

La sonde la plus récente développée par l’équipe est verte lorsqu’elle se trouve dans un environnement neutre et passe au rouge lorsque l’environnement cellulaire devient plus acide.

“Nous avons donc une signalisation rouge et une signalisation verte, et en calculant le rapport, nous pouvons calibrer la valeur exacte du pH”, a déclaré Diao. “C’est plus robuste et plus précis pour mesurer le pH à l’intérieur de l’endolysosome, c’est donc un gros avantage.”

“Notre sonde présente une excellente fluorescence sensible au pH dans les endolysosomes à différents stades d’intérêt”, a ajouté Sun, membre du Cancer Center, professeur agrégé et codirecteur du programme d’études supérieures au département de chimie de l’UC.

La recherche en action

Lorsque l’environnement d’une cellule change, comme lorsqu’une cellule est endommagée, elle doit augmenter le nombre de lysosomes afin de recycler ou de nettoyer la cellule. Mais le processus utilisé par les cellules pour augmenter le nombre de lysosomes n’était pas connu auparavant.

En utilisant la nouvelle sonde, les chercheurs ont découvert que, quel que soit l’environnement dans lequel se trouve une cellule, et qu’il s’agisse d’une cellule normale ou anormale, elle conservera un rapport constant d’endosomes qu’elle convertira ensuite en lysosomes.

“En appliquant la petite sonde moléculaire dans des cellules vivantes, nous avons pu révéler un taux de conversion constant des endosomes précoces aux endosomes/lysosomes tardifs”, a déclaré Sun. “Nous sommes très heureux d’avoir pu révéler ce taux de conversion constant.”

Diao a noté que pour la première fois, l’équipe a découvert que ce processus de l’endosome au lysosome est régi par un processus compliqué contrôlé par les protéines.

“Ce processus est hautement réglementé et vous ne pouvez sauter aucune étape, même s’il s’agit d’une urgence”, a déclaré Diao.

Applications de sonde

En plus des utilisations décrites dans la recherche publiée, Diao a déclaré qu’il existe un certain nombre d’autres applications pour la nouvelle sonde.

“Nous pouvons connaître l’emplacement de l’endolysosome, nous pouvons connaître le nombre, nous pouvons connaître le changement de pH, nous pouvons connaître la taille de l’endolysosome”, a-t-il déclaré. “Finalement, nous aurons tous les paramètres sur les endolysosomes à l’intérieur de la cellule.”

Avec toutes ces informations, l’équipe travaille à développer un logiciel d’apprentissage automatique qui sera capable de profiler les anomalies cellulaires et de diagnostiquer rapidement les problèmes de lysosome pouvant entraîner des maladies. Cette méthode serait plus rapide et plus rentable que le séquençage actuel des gènes et des protéines, et dans la pratique, seul un patient en bonne santé pourrait subir un simple test sanguin lui indiquant s’il présente des facteurs de risque pour certaines maladies lysosomales.

“Vous avez juste besoin de faire une coloration, et en 10 minutes, vous avez toutes les informations”, a déclaré Diao. “Nous essayons en fait de développer un système avec ces sondes afin que nous puissions faire un diagnostic rapide.”

Les chercheurs étudient également des traitements qui affectent le processus de transition de l’endosome au lysosome pour accélérer le processus compliqué, y compris la recherche utilisant la lumière pour accélérer le processus.

“Nos résultats de recherche démontrent qu’il s’agit d’une direction extrêmement prometteuse dans la conception et le développement de petites sondes fluorescentes pour les applications de bioimagerie, en particulier lorsqu’elles sont couplées à la microscopie à haute résolution”, a déclaré Sun. “Nous continuerons à développer de nouvelles sondes fluorescentes à fonctions multiples.”

D’autres chercheurs de l’UC ont commencé à utiliser la sonde, et l’équipe travaille à breveter et à commercialiser la technologie.

“Je pense que c’est un travail vraiment classique résultant d’une collaboration”, a déclaré Diao. “Le Dr Sun et notre groupe travaillent ensemble et nous rendons l’ensemble du processus très rapide et très efficace. Nous voulons accélérer toute cette découverte.”

“L’expertise complémentaire du Dr Diao et de mes propres groupes permet vraiment de travailler sur ces projets collaboratifs”, a ajouté Sun. “L’interaction synergique entre nos groupes est la clé du succès.”