Comment les cellules utilisent la condensation pour sceller hermétiquement les tissus

Notre corps et nos organes sont protégés de l’environnement extérieur par des barrières tissulaires comme la peau. Ces barrières doivent être hermétiquement fermées pour empêcher la pénétration de substances indésirables. Cette étanchéité est obtenue grâce à des structures appelées jonctions serrées. Cependant, la façon dont ces jonctions serrées se forment est depuis longtemps un mystère.

Aujourd’hui, une équipe interdisciplinaire de chercheurs, dirigée par le professeur Alf Honigmann du Centre de biotechnologie (BIOTEC) de l’Université technique de Dresde, a découvert que les protéines responsables de ces joints forment un matériau liquide à la surface des cellules, un peu comme l’eau qui se condense sur une fenêtre froide.

Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature.

Notre peau agit comme un bouclier protecteur contre le monde extérieur et, tel un mur de briques bien construit, elle doit être hermétiquement fermée pour éviter toute brèche. De même, nos organes, comme les poumons ou les intestins, doivent être hermétiquement fermés pour éviter que leur contenu ne se répande dans d’autres compartiments du corps. La couche la plus externe de nos organes y parvient grâce à des joints spécialisés entre les cellules, appelés jonctions serrées.

Les jonctions serrées ressemblent beaucoup à un joint entre des carreaux de sol ou de mur. Il s’agit de ceintures qui entourent le haut de chaque cellule et se fixent aux cellules voisines pour former un joint étanche entre elles.

« Contrairement aux joints entre les carreaux ou le mortier dans les murs en briques, les jonctions serrées sont dynamiques. Notre peau ou nos organes sont mous et les cellules changent constamment de forme. Les jonctions serrées doivent pouvoir s’adapter aux changements de forme des cellules tout en étant capables de sceller les interstices », explique le professeur Honigmann, titulaire de la chaire de biophysique et chef du groupe de recherche au BIOTEC. « Comment les jonctions serrées sont-elles capables de former un matériau aussi robuste et flexible autour du périmètre cellulaire était une question scientifique fascinante. »

Condensation sur une surface

Pour comprendre comment ces jonctions se forment, l’équipe du professeur Honigmann a utilisé des méthodes biophysiques avancées pour observer le processus en temps réel. Ils ont développé un moyen d’activer et de désactiver chimiquement la formation de jonctions serrées à volonté. Ils ont également utilisé le génie génétique pour marquer les protéines de scellement avec un marqueur fluorescent. Ensemble, ils ont pu utiliser la microscopie à haute résolution pour observer la formation des jonctions serrées en temps réel.

En collaboration avec des physiciens théoriciens dirigés par Frank Jülicher à l’Institut Max Planck de physique des systèmes complexes (MPI-PKS) de Dresde, le groupe a pu démontrer que l’auto-assemblage des jonctions serrées est provoqué par un phénomène physique appelé mouillage de surface.

« Il est fascinant de constater que ces protéines de jonction serrée se comportent de manière très similaire à l’eau. En combinant nos observations et la modélisation physique théorique, nous sommes arrivés à ce qui est essentiellement le processus physique de condensation de liquide sur une surface », explique le Dr Karina Pombo-Garcia, chercheuse à l’origine du projet et aujourd’hui chef de groupe de recherche à l’Institut Rosalind Franklin en Angleterre.

Les protéines de jonction serrée se lient à la surface de la membrane cellulaire à l’interface où les cellules se touchent. Lorsque le nombre de protéines liées à cet endroit atteint un certain seuil, les protéines se condensent en un liquide qui se transforme progressivement en une sorte de goutte à la surface de la cellule.

Au fil du temps, ces gouttes s’allongent et se touchent pour former une ceinture uniforme autour des cellules. De cette façon, des jonctions serrées scellent les espaces entre les cellules pour rendre notre peau et nos organes étanches à l’air.

« Tout le monde a peut-être déjà vu cela en hiver. De minuscules gouttes d’eau apparaissent sur une fenêtre froide. C’est exactement cela, mais à l’échelle moléculaire », ajoute le Dr Pombo-Garcia.

Liquides à base de protéines

Dès 2017, l’équipe de Honigmann a commencé à soupçonner que les protéines à jonction serrée pourraient se comporter comme des liquides. « Nous avons consacré beaucoup d’efforts à comprendre comment mesurer et observer ces propriétés liquides », explique le professeur Honigmann. « Heureusement, nous étions au bon endroit au bon moment. »

Les premiers travaux ayant conduit à cette découverte ont été menés à l’Institut Max Planck de biologie cellulaire moléculaire et de génétique (MPI-CBG) de Dresde. Les chercheurs du MPI-CBG sont des pionniers de la biologie des condensats, une branche de la biologie récemment découverte qui se concentre sur les protéines formant de grands assemblages aux propriétés liquides.

« La biologie des condensats est un domaine prometteur, car elle comble le fossé entre les échelles. L’un des problèmes généraux de la biologie est de comprendre comment des structures telles que les organites cellulaires se forment à partir des myriades d’interactions moléculaires dans le cytoplasme. Nous savons maintenant que certaines biomolécules peuvent s’auto-organiser en matériaux tels que des liquides et des gels. Cela nous permet d’adapter des concepts physiques bien compris tels que la condensation et d’autres transitions de phase pour décrire la formation de structures en biologie », conclut le professeur Honigmann.