La découverte surprise d’une nouvelle voie gouvernée par la protéine de signalisation Notch ouvre la porte à un meilleur développement des médicaments
Par Lindsay Brownell
(BOSTON) – Chaque minute, un gallon et demi de sang pulse dans le réseau de veines et d’artères du corps. La force de ce flux sanguin contribue à maintenir en bonne santé les cellules qui tapissent les vaisseaux sanguins, appelées cellules endothéliales ; lorsque le flux sanguin est perturbé, par exemple lors d’une intervention chirurgicale ou d’un accident vasculaire cérébral, les vaisseaux commencent à fuir, ce qui peut provoquer une multitude de réactions inflammatoires qui conduisent à des lésions cellulaires et à des maladies. Les scientifiques de l’Institut Wyss de l’Université de Harvard ont entrepris de résoudre le mystère de la façon dont le flux sanguin maintient les vaisseaux intacts et, à leur grande surprise, ont découvert une voie de signalisation cellulaire totalement nouvelle qui constitue une cible prometteuse pour les médicaments destinés à traiter une variété de conditions débilitantes.
« Nous avons découvert que la protéine Notch bien connue est responsable de l’étanchéité des vaisseaux sanguins, et qu’elle le fait par le biais d’une voie de signalisation secondaire qui fonctionne d’une manière complètement différente de sa voie connue basée sur la transcription », déclare Chris Chen, M.D., Ph.D., membre associé de la faculté de l’Institut Wyss, directeur fondateur du Biological Design Center et professeur distingué d’ingénierie biomédicale à l’Université de Boston, qui est l’auteur correspondant de l’article. « Non seulement cette nouvelle voie est passionnante du point de vue de la découverte, mais elle pourrait améliorer certains des effets secondaires des médicaments anticancéreux et cardiovasculaires pour les rendre plus sûrs et plus efficaces. » L’étude est publiée aujourd’hui dans Nature.
Les cellules endothéliales qui tapissent les vaisseaux sanguins sont étroitement liées entre elles par des connexions appelées jonctions d’adhérence pour former une barrière qui maintient le sang à l’intérieur du vaisseau et régule la facilité avec laquelle d’autres substances peuvent y entrer et en sortir. Pour étudier cette barrière et déterminer pourquoi un manque de flux sanguin provoque une fuite, les chercheurs ont construit un modèle de vaisseau sanguin sur puce constitué d’un canal tapissé d’une couche de cellules endothéliales humaines entourées d’une matrice extracellulaire à l’intérieur d’un dispositif microfluidique, ce qui leur a permis de simuler et de contrôler facilement le flux sanguin à travers un vaisseau et d’évaluer les réponses des cellules.
Les cellules endothéliales qui ont connu un flux sanguin ont montré une activité accrue de la protéine transmembranaire Notch1, alors que les cellules exposées à du sang statique ne l’ont pas fait. Lorsque les chercheurs ont ajouté un produit chimique qui bloque l’activation de Notch1 en empêchant son domaine intracellulaire de se détacher, ils ont observé que le vaisseau a commencé à fuir, ce qu’ils ont déterminé comme étant causé par la perturbation des jonctions d’adhérence entre les cellules endothéliales voisines et la réorganisation des fibres d’actine à l’intérieur de chaque cellule. Cela a confirmé que l’activation de Notch1 par le flux sanguin est nécessaire pour la formation et le maintien de la barrière endothéliale des vaisseaux sanguins.
Curieusement, empêcher le domaine intracellulaire de Notch1 d’initier la transcription après le détachement (qui est le mécanisme d’action bien établi de Notch1) n’a pas fait fuir les vaisseaux, ce qui implique qu’une autre partie de la protéine dont la fonction n’implique pas la transcription répondait au flux sanguin. Ce soupçon a été renforcé par des expériences in vivo au cours desquelles les scientifiques ont injecté à des souris un produit chimique bloquant Notch1 ainsi qu’un colorant bleu, et ont constaté que le colorant s’échappait des vaisseaux sanguins des souris traitées à un rythme beaucoup plus rapide que prévu. « La transcription d’un gène en une protéine qui remplit ensuite une fonction dans la cellule prend généralement environ deux heures, mais nous avons constaté des fuites en 30 minutes, ce qui suggère encore que le processus qui contrôle la perméabilité de la barrière fonctionne par un mécanisme complètement différent », explique Bill Polacheck, Ph, Postdoctoral Fellow à l’Institut Wyss et co-auteur principal de l’article.
Après avoir établi que le domaine intracellulaire n’était pas impliqué dans la régulation de la barrière endothéliale, les scientifiques ont recherché l’activité d’autres parties de Notch1. Ils ont utilisé CRISPR/Cas-9 pour supprimer diverses sections du gène Notch1 et ont découvert que la suppression de la section qui code pour le domaine intracellulaire n’avait aucun effet sur la perméabilité, tandis que la suppression de la minuscule section du domaine transmembranaire (TMD) entraînait une augmentation des fuites des vaisseaux dans des conditions d’écoulement. « C’est la première fois que la fonction biologique du domaine transmembranaire de Notch a été évaluée », a déclaré Matthew Kutys, Ph.D., chercheur invité au Wyss Institute et coauteur. « On supposait largement qu’elle était inerte et qu’elle disparaissait en quelque sorte après l’activation, et la plupart des manuels et des documents de recherche ne la présentent même pas comme une partie distincte des récepteurs Notch. » Grâce à des tests supplémentaires, ils ont compris que lorsque Notch1 est activé et que son domaine intracellulaire est libéré, son TMD assemble un complexe dans la membrane avec les protéines VE-cadhérine, Rac1, LAR et Trio, qui assemblent et maintiennent collectivement les jonctions d’adhérence entre les cellules et distribuent les fibres d’actine contre la membrane cellulaire pour soutenir ces jonctions.
« Rétrospectivement, nous avons lancé les dés avec ce projet, car en choisissant d’étudier Notch, nous entrions dans l’un des domaines de recherche les plus encombrés de la biologie. Mais notre approche basée sur l’ingénierie nous a permis de l’étudier d’une manière nouvelle, sans l’influence ou le parti pris de travaux antérieurs, ce qui, je pense, nous a permis d’avoir l’esprit suffisamment ouvert pour observer et caractériser cette voie nouvelle et inattendue », explique M. Polacheck. « Savoir que Notch1 régule l’adhésion cellulaire en plus de la différenciation cellulaire offre également un nouveau cadre pour comprendre la coordination des processus cellulaires complexes, dans la mesure où des molécules uniques comme Notch peuvent jouer plusieurs rôles », ajoute Kutys.
La révélation que Notch1 remplit différentes fonctions, et le fait de savoir quelles parties de la protéine régissent chaque fonction, permet de développer de nouveaux médicaments à la fois plus efficaces et moins toxiques. « Notch est une cible pour certains traitements contre le cancer, mais ces médicaments sont connus pour provoquer des œdèmes et d’autres problèmes. Aujourd’hui, nous travaillons activement à la séparation des deux voies de Notch afin de pouvoir créer des médicaments qui ciblent uniquement le domaine intracellulaire, en épargnant la TMD et en préservant ainsi l’intégrité des vaisseaux sanguins », explique Karen Hirschi, Ph.D., professeur de médecine et de génétique à la Yale School of Medicine, qui a collaboré à l’étude. Le fait de savoir que Notch régit la perméabilité des vaisseaux en fait un candidat pour de nouveaux médicaments destinés à traiter les maladies cardiovasculaires également, et l’équipe étudie également le TMD comme agent thérapeutique potentiel lui-même, car des modèles cellulaires exposés à une inflammation induisant des fuites ont affiché une réduction spectaculaire des fuites lorsqu’ils ont été modifiés pour exprimer le TMD.
« Les collaborations que le Wyss Institute permet et entretient entre des domaines disparates, comme l’ingénierie mécanique et la biologie moléculaire, favorisent de nouvelles approches de vieux problèmes qui peuvent conduire à des résultats qui changent véritablement de paradigme », déclare Donald Ingber, M.D. Ph.D., directeur fondateur du Wyss Institute et titulaire de la chaire Judah Folkman de biologie vasculaire à la faculté de médecine de Harvard et du programme de biologie vasculaire de l’hôpital pour enfants de Boston, qui est également professeur de bio-ingénierie à la Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard. « Cette étude est un excellent exemple des avantages que ces types de partenariats peuvent apporter à la science et à la société. »
Les autres auteurs de l’étude sont Jinling Yang, Ph.D., boursier postdoctoral à l’Institut Wyss ; Jeroen Eyckmans, Ph.D., ancien boursier postdoctoral de l’Institut Wyss et actuel chef de groupe à l’Université de Boston ; Yinyu Wu, étudiant diplômé du département de génétique de Yale ; et Hema Vasavada, responsable de laboratoire à la faculté de médecine de Yale.
Cette recherche a été soutenue par des subventions des National Institutes of Health (NIH), de la National Science Foundation (NSF), d’un Ruth L. Kirchstein National Research Service Award, de la Hartwell Foundation et du Wyss Institute de l’Université Harvard.
- PUBLICATION – Nature : Un complexe Notch non canonique régule les jonctions d’adhérence et la fonction de barrière vasculaire
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