Comment la production de protéines évolue-t-elle dans les cellules avec plus de deux ensembles de chromosomes ?

La plupart des cellules humaines, animales, végétales et fongiques contiennent deux ensembles de chromosomes avec des numéros de chromosomes spécifiques – par exemple, chez l’homme, il existe deux ensembles de 23 chromosomes en tant que porteurs d’informations génétiques. Cependant, les cellules polyploïdes avec plus de deux ensembles de chromosomes sont également fréquemment présentes dans la nature. La polyploïdie contribue à l’évolution, à la spécialisation fonctionnelle ou à l’émergence de maladies.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Dr. Zuzana Storchova de l’Université technique de Kaiserslautern (TUK) a étudié si le teneur en protéines augmente également linéairement avec le nombre d’ensembles de chromosomes. Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Communication Nature.

Avec le nombre d’ensembles de chromosomes, le volume cellulaire augmente également. Par conséquent, l’agriculture utilise la polyploïdie comme stratégie pour obtenir des plantes plus grandes et donc des fruits ou des rendements plus importants. De plus, la polyploïdie joue un rôle important dans la différenciation des organismes multicellulaires, où elle se produit de manière étroitement contrôlée au niveau du développement ou en réponse à des conditions de stress dans des organes et des tissus spécialisés. La polyploïdie peut également résulter d’une erreur. La polyploïdie non programmée est courante dans la tumorigenèse.

Dans environ 37 % de tous cancers humains, la duplication du génome entier s’est produite au cours de la maladie. “En général, la polyploïdie est considérée comme une force motrice de l’évolution et de la tumorigenèse. Cependant, nous ne savons pas grand-chose sur la façon dont le métabolisme cellulaire est en corrélation avec elle”, a déclaré Storchova, résumant la situation initiale.

Pour mieux comprendre les effets de la polyploïdie, la biologiste et son équipe ont utilisé les levures de boulanger comme organisme modèle, dans lequel cette condition est relativement stable. Ils se sont concentrés sur le protéome, c’est-à-dire l’ensemble des protéines contenues dans une cellule à un instant donné, ce qui est important pour le fonctionnement d’une cellule. Le schéma directeur des protéines est fourni par l’information génétique localisée sur les chromosomes.

Les chercheurs ont généré des souches de levure dont le nombre d’ensembles de chromosomes dans les cellules variait, allant d’ensembles de chromosomes simples à quadruples. À l’aide de la chromatographie liquide et de la spectrométrie de masse en tandem, ils ont quantifié la composition du protéome et comparé les données des différentes souches de levure. La question cruciale était : les cellules avec des jeux de chromosomes quadruples contiennent-elles également quatre fois plus de protéines ?

“Nous avons constaté que le nombre d’ensembles de chromosomes et de protéomes n’évolue pas de manière linéaire. Les cellules avec des ensembles de chromosomes quadruples ne contenaient que trois fois la quantité de protéines”, a expliqué Galal Yahya, Ph.D., premier auteur des étudiants et ancien membre de Le groupe de recherche de Storchova. Le coefficient (0,75) qui relie réellement les deux est déjà connu en biologie et dénote la relation d’échelle allométrique entre taux métabolique et la masse corporelle. Il se rapproche des limites physiques de la vie. Par exemple, activité métabolique n’augmente pas infiniment à mesure que l’organisme grandit, ou n’évolue pas linéairement avec la taille d’un organisme.

“Dans la deuxième étape, nous avons essayé de comprendre comment les cellules avec un nombre accru d’ensembles de chromosomes régulent synthèse des protéines», explique Yahya, qui est venu à TUK avec une bourse Georg Forster de la Fondation Alexander von Humboldt. « Nous avons finalement observé que la traduction cytoplasmique et la biogenèse des ribosomes étaient réduites avec l’augmentation de la ploïdie. Ces processus jouent un rôle crucial dans la traduction de l’information génétique et l’assemblage de protéines à partir d’acides aminés.”

La soi-disant kinase TOR, qui se trouve dans tous les organismes eucaryotes et est considérée comme un régulateur métabolique clé, est responsable de l’arrêt de la biosynthèse des protéines. Il réagit aux stress environnementaux, par exemple. “Nous avons trouvé : plus la ploïdie est élevée, moins la kinase TOR est active”, explique Yahya. “La variation d’activité conduit également à un état moins stable de polyploïdie.”

Enfin, l’équipe de recherche a cherché à savoir si les observations faites sur les souches de levure s’appliquaient également aux lignées cellulaires humaines. “Nous avons en fait obtenu des résultats comparables. Cependant, cette étude n’a pas suffisamment clarifié tous les détails. Nous voyons ici un potentiel pour des recherches supplémentaires”, a conclu Storchova.