Les tardigrades protègent les protéines au bord de la mort

Stephanie a rejoint Drug Discovery News en tant que rédactrice adjointe en 2021. Elle a obtenu son doctorat de l'Université de Californie à Los Angeles en 2019 et a écrit pour Discover Magazine,...

Avec leurs jambes potelées et leur nez boutonné, les tardigrades n'ont certainement pas l'air de détenir les secrets de la vie et de la mort dans leurs griffes grêles, mais ils le font. Ces animaux charismatiques - souvent appelés ours d'eau ou porcelets de mousse - ont développé des adaptations uniques pour prospérer dans des environnements où peu d'autres peuvent survivre.

Bien qu'ils vivent généralement dans des endroits aquatiques allant des manteaux de neige de l'Himalaya à la mousse qui pousse dans un parking, les tardigrades peuvent survivre à la déshydratation, au gel, à des températures supérieures au point d'ébullition de l'eau et même au vide et au rayonnement de l'espace (1,2). Pour ce faire, les tardigrades éliminent l'eau de leur corps et ralentissent leur métabolisme à seulement 0,01 % de son taux normal. Ce faisant, ils passent à leur forme "tun", un état d'animation suspendue dans lequel ils peuvent vivre pendant des décennies. L'exposition à juste un peu d'eau restaure les tardigrades des tonneaux à leur état normal et turgescent.

"Nous entendons toujours l'adage" La vie est eau "et nous savons que tout métabolisme a besoin d'eau", a déclaré Thomas Boothby, tardigradologue à l'Université du Wyoming. "Comment pouvez-vous avoir une vie sans métabolisme? C'est presque une question philosophique."

En faisant le lien entre la vie et la mort, les tardigrades offrent aux scientifiques l'opportunité de comprendre ce que signifie être en vie - et peut-être, comment garder les êtres vivants en vie. Avec l'avènement de nouveaux outils génétiques et une communauté croissante de chercheurs sur les tardigrades, les scientifiques étudient comment les tardigrades survivent à des conditions stressantes dans l'espoir de traduire ces leçons en formulations de médicaments plus stables. Grâce à leur capacité à protéger contre les niveaux de rayonnement dangereux, la biologie des tardigrades peut même aider les humains lors de missions spatiales à long terme vers la Lune et Mars.

Alors que le soleil monte haut dans le ciel, l'eau entourant les tardigrades vivant dans une flaque d'écume d'étang commence lentement à s'évaporer. Au fur et à mesure que l'environnement s'assèche, les cellules des tardigrades commencent à perdre de l'eau et la concentration des molécules à l'intérieur de celles-ci augmente de plus en plus.

"La dessiccation n'est pas un stress total ou nul", a expliqué Boothby. "C'est un continuum de contraintes."

Au fur et à mesure que les structures cellulaires se resserrent, les protéines deviennent plus susceptibles de s'agréger les unes aux autres. Lorsque la cellule ne contient plus assez d'eau pour former des liaisons hydrogène avec les protéines, les protéines se déploient et perdent leur fonction. D'une manière ou d'une autre, les tardigrades ont trouvé un moyen d'empêcher la perte de la fonction protéique due à la dessiccation, et les scientifiques n'avaient aucune idée de comment ils y parvenaient jusqu'à il y a quelques années à peine.

"Il y a cinq ou six ans, un post-doctorant en biologie ici à l'UNC est entré dans mon bureau et a dit qu'il avait trouvé les gènes qui permettaient aux tardigrades de survivre à la dessiccation", a déclaré Gary Pielak, chimiste des protéines à l'Université de Caroline du Nord (UNC) à Chapel Hill. "Ce type était Thomas Boothby."

En travaillant ensemble, Boothby, Pielak et leurs collègues ont rapporté qu'à mesure que les conditions se dessèchent, les tardigrades expriment des protéines uniques appelées protéines intrinsèquement désordonnées (TDP) de tardigrade (3). Bien que les tardigrades n'aient pas besoin de TDP pour vivre leur vie aquatique normale, à mesure que leur habitat aquatique s'assèche, ils ne peuvent pas vivre sans eux. Lorsque les chercheurs ont exprimé des TDP dans des bactéries et des levures, les protéines ont multiplié par près de 100 la tolérance à la dessiccation de ces organismes.

Depuis cette découverte, les chercheurs en tardigrade ont identifié un certain nombre de TDP différents impliqués dans la protection des tardigrades pendant la dessiccation (4). Mais comment exactement les TDP et d'autres aspects de la biologie du tardigrade protègent l'animal reste une question ouverte.

Pour la plupart, ces études reposaient sur l'expression de protéines tardigrades dans des systèmes modèles comme la levure et les bactéries, car de nombreuses techniques sophistiquées de manipulation génétique n'étaient pas possibles chez les tardigrades - jusqu'à présent.

Kazuharu Arakawa, tardigradologue à l'Université de Keio, et son équipe ont récemment développé un système appelé TardiVec qui permet aux scientifiques d'étudier les gènes tardigrades chez les animaux eux-mêmes (5). La première chose qu'ils ont faite a été d'exprimer la protéine fluorescente verte (GFP) sous le contrôle du promoteur de la protéine actine, un gène avec un profil d'expression élevé.

"Nous étions vraiment excités", a déclaré Arakawa. "Voir votre organisme préféré briller de mille feux est quelque chose de vraiment, vraiment extra."

Désireux de mieux comprendre comment les tardigrades se protègent lors de la dessiccation, Arakawa et son équipe ont marqué avec la GFP des protéines connues pour être impliquées dans la protection contre la dessiccation. À leur grande surprise, ces TDP n'étaient exprimés que dans certains types de cellules, et non dans toutes les cellules.

Par exemple, les chercheurs ont vu que les tardigrades n'exprimaient que la protéine thermosoluble abondante cytoplasmique TDP (CAHS) dans les cellules épidermiques. Une autre protéine protectrice de la dessiccation, la protéine sécrétoire abondante thermosoluble (SAHS) était presque exclusivement exprimée dans les cellules de stockage, qui sont des cellules flottantes libres dans le tardigrade supposées stocker de l'énergie.

"Chez l'homme, si les cellules sont endommagées, nos cellules entrent en apoptose", a déclaré Arakawa. "Cela ne fonctionne pas comme ça chez les tardigrades, donc chaque cellule des tardigrades doit être protégée lors de la déshydratation." Pourquoi les tardigrades expriment certaines protéines protectrices de la dessiccation uniquement dans certaines cellules est déroutant.

"Cela complique la situation. Ce que nous pensions savoir n'était qu'une partie de l'histoire", a déclaré Arakawa.

À l'avenir, Arakawa prévoit d'utiliser le système TardiVec pour identifier les mécanismes à l'origine de la tolérance à la dessiccation en étudiant des espèces de tardigrades ayant différentes capacités de tolérance à la dessiccation. Par exemple, Ramazzottius verieornatus peut passer à un état tun en 15 à 30 minutes, Hypsibius exemplaris doit d'abord passer environ 24 heures dans un environnement semi-sec, et l'espèce Thulinius ruffoi ne peut pas du tout se dessécher.

"En introduisant les gènes spécifiques aux tardigrades que nous avons trouvés chez Ramazzottius dans Thulinius ou dans l'état naturel d'Hypsibius sans préconditionnement, nous pourrions être en mesure de concevoir ces tardigrades pour qu'ils soient tolérants à la dessiccation", a expliqué Arakawa.

En comprenant comment les tardigrades survivent aux rudes contraintes de la déshydratation, Arakawa et son équipe espèrent appliquer ces leçons à la préservation des matériaux biologiques pour la santé humaine, qu'il s'agisse de stabiliser les vaccins et les produits biologiques pour préserver les dons de sang pendant de plus longues périodes.

Alors que plusieurs équipes de recherche ont utilisé des TDP pour protéger les protéines modèles de la dégradation due à la déshydratation, Boothby voulait savoir si cette protection pouvait s'étendre aux produits biologiques vitaux.

Dans une récente préimpression, lui et son équipe ont testé si les protéines CAHS tardigrades pouvaient stabiliser le facteur de coagulation sanguine humain VIII (FVIII) à l'état sec sous diverses contraintes de température (6). Le FVIII est un composant important de la voie de la coagulation sanguine, et les cliniciens l'utilisent pour arrêter les saignements chez les patients traumatisés et chez les personnes atteintes de l'hémophilie, un trouble génétique de la coagulation sanguine. Actuellement, les fabricants ajoutent du polyéthylène glycol au FVIII pour le rendre stable à température ambiante, mais ce niveau de stabilisation n'est toujours pas suffisant pour les personnes vivant dans certains endroits chauds.

"La température ambiante, ce que cela signifie vraiment, peut atteindre environ 30°C, mais bien sûr, il existe de nombreux endroits dans le monde où les températures ambiantes sont bien supérieures à 30°C", a déclaré Boothby. Des médecins du Texas ont rapporté que "les gens ont du mal à stocker ces produits pharmaceutiques chez eux car leur maison devient plus chaude que 30°C pendant l'été", a-t-il ajouté.

L'équipe a développé des variantes de la protéine CAHS D avec différentes propriétés biophysiques et a découvert que certaines variantes protégeaient mieux le FVIII dans des conditions spécifiques. Par exemple, une variante appelée CAHS D 2X Linker forme un gel plus facilement que la protéine CAHS D standard. Lorsque Boothby et son équipe ont mélangé le FVIII avec le 2X Linker, ils ont pu déshydrater et réhydrater le FVIII pendant six cycles consécutifs sans endommager sa fonction de coagulation sanguine. Cette variante a également maintenu le FVIII stable pendant 10 semaines à l'état sec.

"C'est vraiment important car sur le terrain, vous n'avez pas souvent une humidité contrôlée avec précision, vous pouvez donc obtenir une réhydratation partielle ou une dessiccation plus sévère", a expliqué Boothby. "Être capable de tolérer ces fluctuations d'hydratation est important."

Lorsqu'ils ont mélangé le FVIII avec une variante différente appelée CAHS D Linker Region qui ne peut pas du tout former de gel, ils ont découvert que cette variante stabilisait le FVIII à l'état sec à des températures aussi élevées que 95 ° C pendant deux jours, soit presque le double de la température la plus élevée jamais enregistrée sur Terre - 56,7 ° C dans la Vallée de la Mort en 1913.

"Nous sommes vraiment intéressés par cette question de l'état biophysique de ces protéines", a déclaré Boothby. "Une variante non gélifiante, comment protège-t-elle une protéine par rapport à la variante gélifiante ? Cela nous aide vraiment pour l'ingénierie future [et] les objectifs appliqués où nous voulons modifier la protéine pour stabiliser un certain type de produit pharmaceutique ou biologique."

Par exemple, s'ils veulent stabiliser un vaccin à base de protéines particulier qui est sujet à l'agrégation à l'état sec, "alors nous avons une assez bonne idée de ce que seraient nos meilleurs candidats parmi nos variantes", a-t-il ajouté. "Nous voulons creuser dans les mécanismes par lesquels ces protéines fonctionnent, afin que nous puissions les faire fonctionner pour nous et faire les choses que nous voulons qu'elles fassent dans les formulations."

Pour Roger Chang, biologiste informatique à l'Albert Einstein College of Medicine, les protéines tardigrades ne doivent pas s'arrêter à la préservation des produits biologiques. Ils pourraient aussi un jour inspirer de nouveaux médicaments pour les maladies humaines. Chang a toujours été intéressé par les organismes qui vivent à l'extrême de la capacité de survie. Il a commencé sa carrière de chercheur en travaillant sur l'espèce bactérienne Deinococcus radiodurans, l'organisme le plus résistant aux radiations jamais connu.

"C'est une bactérie, pas un système animal complexe, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles l'étude des tardigrades est devenue intéressante parce qu'elle est certainement beaucoup plus proche de l'homme sur le plan évolutif", a déclaré Chang. Lui et son équipe se sont demandé si les protéines désordonnées des tardigrades et d'autres organismes extrêmotolérants pouvaient protéger les cellules humaines du stress, en particulier du stress chimique d'un médicament de chimiothérapie (7).

Chang et son équipe ont criblé environ 300 protéines ou fragments de protéines avec des régions désordonnées en les exprimant dans des cellules humaines. Ils incluaient des protéines d'organismes extrêmophiles, notamment des tardigrades, des nématodes et la salamandre géante chinoise, mais ils considéraient également les formes complètes et tronquées de protéines humaines.

"Si nous voulons développer une thérapeutique, il se pourrait que si vous pouviez extraire quelque chose comme ça du protéome humain, vous auriez moins de soucis concernant les effets immunogènes, peut-être parce que c'est plus humain et pas si étranger", a déclaré Chang.

Les chercheurs ont ensuite traité les cellules avec la camptothécine, un médicament de chimiothérapie courant, qui tue les cellules en déclenchant l'apoptose. Ils ont découvert que même si la plupart des protéines n'avaient aucune relation évolutive les unes avec les autres, elles protégeaient toutes contre le stress chimique dans une mesure similaire.

Ce qui a le plus surpris l'équipe, c'est que leurs principales protéines protectrices n'étaient pas des tardigrades, mais des fragments des protéines humaines APOE4 et APOE2. (APOE4 est surtout connu pour son rôle dans la maladie d'Alzheimer.) Ils ont réalisé que ces fragments de protéine APOE contenaient une série de répétitions alpha-hélicoïdales, que possèdent également les protéines désordonnées d'organismes extrêmophiles.

"Si vous ne retirez que cette région répétée, c'est la partie qui ressemble aux protéines intrinsèquement désordonnées de l'espèce extrêmotolérante. C'est la variante de l'APOE qui est la plus protectrice", a déclaré Chang.

Les chercheurs ont remarqué que les fragments protecteurs d'APOE formaient de minuscules grappes dans le cytoplasme. Ils se sont donc demandé si eux-mêmes et potentiellement leurs autres protéines désordonnées pouvaient protéger les cellules de l'apoptose en séquestrant les protéines impliquées dans l'apoptose dans les condensats, des structures sans membrane qui distinguent des composants cellulaires spécifiques du reste de la cellule. Bien qu'ils aient vu que bon nombre de leurs hits les plus protecteurs formaient des condensats, pour la plupart, ils ne formaient pas de condensats autour des composants clés de la voie de l'apoptose. Une seule protéine synthétique désordonnée l'a fait.

Il y a certainement beaucoup d'adaptations évoluées fascinantes et impressionnantes dans la nature dont nous pouvons apprendre, et je pense que nous ne faisons qu'effleurer la surface. – Roger Chang, Collège de médecine Albert Einstein

"Il est probable que ces condensats qui se forment interagissent soit de manière large, soit spécifiquement avec d'autres composants cellulaires et les stabilisent ou les éloignent simplement du reste du cytoplasme et ne leur permettent pas de fonctionner normalement", a déclaré Chang.

Lui et son équipe s'interrogent actuellement sur le lien potentiel entre les fragments protecteurs de la protéine APOE et la maladie d'Alzheimer. Par-dessus tout, Chang souhaite développer une plate-forme pour créer des protéines synthétiques désordonnées capables de lier et de stabiliser n'importe quelle protéine humaine. Par exemple, ils pourraient créer des protéines désordonnées qui se lient à des protéines telles que celles sensibles au stress oxydatif pour prévenir le développement de maladies.

"C'est fascinant que la nature ait trouvé des solutions pour survivre à des conditions vraiment extrêmes", a déclaré Chang. "Il y a certainement beaucoup d'adaptations évoluées fascinantes et impressionnantes dans la nature dont nous pouvons apprendre, et je pense que nous ne faisons qu'effleurer la surface."

L'un des milieux les plus hostiles à la vie est l'espace, mais même là, le coriace petit tardigrade persiste. Les scientifiques ont lancé des tardigrades en orbite terrestre basse, les exposant à la fois au vide et au rayonnement intense de l'espace, et ont découvert qu'ils avaient survécu au voyage (8). Lorsqu'un atterrisseur lunaire israélien transportant des tardigrades parmi d'autres cargaisons s'est écrasé sur la Lune en 2019, certains tardigrades ont fini par appeler l'espace chez eux - bien que des recherches récentes suggèrent qu'ils n'ont probablement pas survécu à l'impact (9).

Bien que les tardigrades puissent être des astronautes prolifiques, ils n'ont pas naturellement évolué pour devenir de petits animaux astronautes.

"De toute évidence, les tardigrades ne vivent pas dans un environnement où il y a un rayonnement très élevé", a déclaré Arakawa. "Ils ne sont pas faits pour tolérer les radiations en premier lieu, mais ils sont faits pour tolérer la dessiccation, qui est un stress aussi fort qu'une forte dose de radiations."

Les radiations provoquent deux stress principaux dans les cellules : le stress oxydatif et les dommages à l'ADN. Les tardigrades doivent également faire face à ces deux stress pendant la dessiccation, de sorte que les chercheurs pensent que les tardigrades utilisent probablement des mécanismes similaires pour se protéger à la fois de la déshydratation et des radiations.

Les chercheurs ont identifié une protéine en particulier appelée protéine suppresseur de dommages (Dsup) qui est unique aux tardigrades. Lorsqu'il est exprimé dans des cellules humaines, il se lie aux nucléosomes, des sections d'ADN enroulées autour de la chromatine, et il supprime les dommages à l'ADN induits par les rayons X de 40 % (10,11). Dans une récente prépublication, Chang et ses collègues de Weill Cornell Medicine et de l'Université de Harvard ont étudié comment la Dsup protégeait l'ADN des cellules humaines contre les dommages causés par les radiations (12). Les chercheurs ont découvert que Dsup agit au niveau épigénétique pour conduire à un environnement chromatinien moins répressif.

"Même s'il provient de tardigrades, il semble avoir une réponse particulière en termes d'activité transcriptionnelle dans les cellules humaines qui est assez intéressante", a déclaré Chang.

Ils ont également confirmé certains rapports antérieurs selon lesquels les cellules humaines conçues pour exprimer Dsup ont des propriétés adhésives, prolifératives et anti-apoptotiques accrues. Les chercheurs ont découvert que les voies de signalisation Hippo et Wnt, qui augmentent la prolifération cellulaire et les effets anti-apoptotiques et favorisent également la résistance aux radiations dans les cellules cancéreuses lorsqu'elles sont dérégulées, étaient enrichies en cellules exprimant Dsup (13).

"A ce stade, nous sommes probablement à plusieurs pas d'une véritable thérapeutique qui en sortira, mais c'est un point de départ", a déclaré Chang. Des recherches supplémentaires sur la Dsup et d'autres TDP dans les cellules humaines pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre comment les cellules cancéreuses deviennent résistantes aux radiations et peut-être un jour, comment fabriquer un médicament pour augmenter la tolérance aux radiations des astronautes.

Les missions spatiales à long terme vers la Lune et Mars exposeront les astronautes à des niveaux de rayonnement plus élevés que ceux qu'ils subissent actuellement sur la Station spatiale internationale (ISS). En plus des radiations, les astronautes vivent également dans un environnement de microgravité pendant des mois d'affilée. Pour mieux comprendre les effets à long terme de la vie dans l'espace, Boothby s'est associé à des scientifiques du centre de recherche Ames de la NASA pour envoyer des tardigrades jusqu'à l'ISS sur un vaisseau spatial cargo SpaceX Dragon.

"Si nous prenons un tardigrade qui est né ici sur Terre et que nous l'envoyons dans l'espace, comment réagit-il à ce stress ?" demanda Bootby. Lui et son équipe voulaient savoir non seulement comment la microgravité et les radiations affectaient les tardigrades transportés de la Terre vers l'espace, mais aussi comment ces contraintes affectaient les tardigrades nés dans l'espace.

Passant deux mois sur l'ISS, les tardigrades ont traversé quatre générations dans l'espace, les astronautes préservant des échantillons de tardigrade à des moments précis. Boothby et son équipe ont récemment reçu les échantillons de tardigrade de l'espace, les ont séquencés et explorent maintenant les données de séquençage.

"En comprenant comment les tardigrades font face et s'adaptent aux contraintes des vols spatiaux, nous espérons que non seulement nous pourrons développer de meilleures contre-mesures ou thérapies pour protéger les humains dans l'espace, mais aussi pour protéger les personnes qui travaillent autour de matières radioactives ou sont exposées à ces situations ici sur Terre ", a déclaré Boothby.

Qu'ils atteignent les étoiles avec leurs griffes microscopiques ou qu'ils flottent dans une goutte d'eau, les tardigrades sont l'un des rares organismes à mourir et à revenir indemnes. Pour Arakawa, c'est ce qui le fascine le plus dans les tardigrades, et c'est une idée qui, selon lui, est mieux illustrée par une espèce de tardigrade qui vit sur la mousse poussant dans le béton à Sapporo, au Japon.

"Ils se déshydratent chaque fois qu'il y a une journée ensoleillée, puis se réhydratent chaque fois qu'il pleut. Ils entrent constamment dans cette phase de dessiccation, presque tous les jours", a expliqué Arakawa. "L'arrêt de la vie est un événement très courant, ce qui est assez inhabituel par rapport aux autres espèces." Mais, a-t-il ajouté, "La transition entre la matière et la non-matière est le sujet critique à étudier si nous voulons vraiment comprendre ce qu'est la vie."

Stephanie a rejoint Drug Discovery News en tant que rédactrice adjointe en 2021. Elle a obtenu son doctorat de l'Université de Californie à Los Angeles en 2019 et a écrit pour Discover Magazine,...

Numéro de mai 2023