Le détective cellulaire

Vos cellules sont de petits bavards qui ne peuvent rien garder pour eux. Ils racontent leurs activités quotidiennes pour que tout le monde les entende – chaque douleur et chaque va-et-vient. Avec les cellules, tout est à la surface.

Hidde Ploegh est professeur de biologie au MIT et membre du Whitehead Institute for Biomedical Research. (Photographie de Sam Ogden).

Et c'est aussi une bonne chose, car le système immunitaire, comme un parent surprotecteur, a besoin d'entendre exactement ce qui se passe pour s'assurer que nous sommes en sécurité. La méthode de communication préférée des cellules consiste à afficher des drapeaux moléculaires sur leurs membranes. Ces indicateurs permettent au système immunitaire de savoir si une cellule a été infectée par un virus ou est devenue cancéreuse. Mais certains virus peuvent bâillonner les cellules de sorte que le système immunitaire n'a aucune idée de ce qui se passe.

Hidde Ploegh, professeur de biologie au MIT et membre du Whitehead Institute for Biomedical Research, veut savoir comment ils procèdent. Dans son laboratoire, les chercheurs se concentrent sur les tactiques utilisées par les virus et les bactéries pour faire taire les cellules. Nous pensons qu'en inspectant de près ces virus [et bactéries], nous pouvons avoir un aperçu non seulement de leurs fonctions évasives, mais également du fonctionnement d'un système immunitaire sain, explique Ploegh.

Les cellules du système immunitaire comprennent de nombreux types de cellules tueuses, à mémoire et bavardes connectées via des réseaux de communication complexes. Les maladies humaines les plus mortelles, notamment la tuberculose, le VIH et le cancer, sont très efficaces pour cacher leur présence au système immunitaire. La manière exacte dont ils procèdent n'est pas bien comprise : il existe de nombreux endroits dans les réseaux où une maladie pourrait perturber ou détruire un signal.

Ploegh s'intéresse particulièrement aux virus de l'herpès - une grande et ancienne famille de virus, dont huit infectent les humains - car beaucoup d'entre eux peuvent arrêter le processus de communication avant qu'il ne commence en empêchant les drapeaux des cellules bavardes de monter. Cette famille a développé un sac d'astuces avec lesquelles ils frustrent tout ce processus, dit-il.

Ce que Ploegh trouve particulièrement fascinant à propos des virus de l'herpès, c'est que contrairement à la plupart des autres microbes pathogènes, une fois qu'ils vous infectent, ils ne disparaissent jamais. Ce que ces virus ont appris, dit-il, ce n'est pas seulement comment infecter l'hôte et s'y cacher, mais aussi comment se réactiver à partir de leur état latent, provoquant de la fièvre, des plaies et d'autres symptômes parfois des années et des années plus tard. Le virus sort de sa cachette face à un système immunitaire qui connaît déjà sa présence, et il peut encore sortir du lot et être transmis à l'hôte suivant. C'est un ensemble assez remarquable de stratégies.

En particulier, Ploegh s'est concentré sur un herpèsvirus appelé cytomégalovirus humain (HCMV), qui est si répandu que 50 à 80 pour cent des Américains l'hébergent à l'âge de 40 ans. Les personnes infectées ne présentent généralement aucun symptôme, mais le virus peut provoquer une inflammation des yeux, insuffisance hépatique et décès chez les personnes dont le système immunitaire est affaibli, comme les patients atteints du SIDA.

Les recherches de Ploegh ont montré que le HCMV fait partie des virus de l'herpès qui peuvent se masquer en empêchant les cellules qu'ils infectent de montrer leurs drapeaux moléculaires au système immunitaire. Toutes les cellules humaines, qu'elles soient infectées ou non, présentent habituellement à leur surface des échantillons en rotation constante des protéines produites à l'intérieur. Les cellules du système immunitaire connues sous le nom de lymphocytes T tueurs circulent dans le sang et le système lymphatique pour lire ces échantillons. Si une cellule présente un extrait d'une protéine qui n'est normalement pas fabriquée par des cellules saines, comme une protéine cancéreuse ou une protéine virale, les lymphocytes T tueurs qui passent par là la détecteront et tueront la cellule. Vous pourriez considérer cela comme le système d'alerte précoce par lequel le lymphocyte T sait ce qui se passe au plus profond d'une cellule, dit Ploegh. Si le virus pouvait désarmer ce système d'alerte précoce, il serait temporairement invisible pour les cellules T tueuses.

Le groupe de Ploegh a découvert que c'est exactement ainsi que fonctionne le HCMV : il cible la protéine qui transporte des extraits d'autres protéines jusqu'à la surface cellulaire pour l'affichage. La protéine porteuse, appelée CMH de classe I, fonctionne comme le porte-drapeau de la cellule. Il traîne à l'endroit de la cellule où les protéines sont fabriquées et détruites, saisissant tous les extraits qu'il trouve et les hissant à la surface de la cellule. Les chercheurs du laboratoire de Ploegh ont isolé un groupe de gènes du HCMV qui détruisent ou retiennent le CMH.

Ce travail donne aux immunologistes un aperçu du sac d'astuces des virus de l'herpès et éclaire les activités quotidiennes des cellules humaines normales. Le virus a détourné ce que nous pensons maintenant être une voie essentielle pour le contrôle de la qualité des protéines, dit Ploegh. Les cellules sont très prudentes lorsqu'elles copient leur ADN, car toute erreur sera transmise aux générations futures. Mais la production de protéines est bâclée, avec un taux d'erreur d'environ 10 pour cent. Ces ordures doivent être nettoyées de la cellule, dit Ploegh; en effet, une partie du processus de synthèse est également la répartition des inadaptés. Les biologistes ne savent pas comment les protéines inadaptées sont reconnues, mais une fois qu'elles le sont, elles reçoivent un laissez-passer qui leur permet d'entrer dans un protéasome, que Ploegh compare à un hachoir à viande. Après être sorties d'un protéasome, les protéines hachées, qu'elles soient virales ou propres à la cellule, passent dans le compartiment où le CMH attend, après quoi il les précipite à la surface pour être inspectées par les cellules T.

Ploegh et ses étudiants ont étudié deux gènes du HCMV dans des cellules humaines et ont montré que l'un ou l'autre peut perturber le processus de transmission du drapeau. Plutôt que de travailler avec des cellules infectées, vous pouvez simplement installer dans votre cellule ce gène unique et voir l'ensemble de la voie se dérouler, dit-il.

Joana Loureiro, une étudiante diplômée de l'Université de Lisbonne au Portugal qui mène ses recherches doctorales dans le laboratoire de Ploegh, étudie l'un de ces gènes, appelé US2 (l'autre, appelé US11 , a des effets similaires). En utilisant une technique appelée pouls, Loureiro peut suivre le CMH, US2 est victime. Tout d'abord, elle inonde, ou pulse, les cellules humaines avec des blocs de construction protéiques marqués radioactivement - si nombreux que les CMH fabriqués pendant la période d'impulsion seront principalement radioactifs et traçables. Ensuite, elle poursuit le premier ensemble de blocs de construction avec un deuxième ensemble sans étiquette. Loureiro peut ainsi suivre un groupe de protéines fabriquées uniquement pendant une certaine période. Cela lui permet de voir le timing des événements : en présence du virus US2 protéine, le CMH sort de son compartiment habituel et est ensuite mâché par le hachoir à viande de la cellule.

Le HCMV a d'autres moyens de désactiver le CMH, par exemple des protéines qui le font simplement glisser vers le bas comme une ancre afin qu'il ne puisse pas atteindre la surface cellulaire. Mais Ploegh dit que l'exemple le plus spectaculaire de l'ingéniosité du virus est celui que Loureiro étudie, dans lequel le virus retourne contre lui-même le mécanisme de contrôle qualité de la cellule. Le laboratoire Ploegh a montré que le HCMV peut désactiver le CMH en quelques minutes ; la cellule infectée n'a tout simplement pas le temps d'envoyer un avertissement au système immunitaire.

Le HCMV peut imiter un mécanisme normal de traitement des protéines dans les organismes, de la levure à l'homme. Les levures, ces champignons les plus simples dont le fonctionnement génétique s'est avéré très similaire au nôtre, contiennent des gènes qui définissent des voies similaires à celles utilisées par US2 et US11 dans les cellules humaines. Cette similitude, dit Ploegh, suggère un lien qui peut être fait entre l'évasion de la détection immunitaire [système] par les virus et les voies normales très basiques. Il ajoute : Nous pensons que les voies empruntées par US2 et US11 sont emblématiques de la façon dont votre cellule de mammifère typique traite les déchets protéiques. En étudiant comment les protéines humaines natives aident la protéine virale à détruire le CMH, Loureiro espère découvrir comment fonctionne la voie normale.

Lisa Kattenhorn, une étudiante diplômée de la Harvard Medical School dans le laboratoire de Ploegh, a découvert un autre mécanisme de dissimulation. Pour être affichées à la surface des cellules par le CMH, les protéines virales doivent d'abord passer par les broyeurs d'un protéasome. Mais pour entrer dans un protéasome, les protéines ont besoin d'un passage spécial appelé ubiquitine ; sans ce contrôle, toutes les protéines pourraient entrer dans le broyeur et la cellule finirait par mourir. Kattenhorn a découvert que l'une des premières protéines à pénétrer dans une cellule lors d'une infection par un herpèsvirus est une enzyme capable d'éliminer l'ubiquitine des protéines virales. L'absence d'ubiquitine signifie l'absence de fragments de protéines virales pour le CMH, de sorte que l'infection est susceptible d'être invisible pour les cellules T tueuses. Tous les virus de l'herpès ont cette enzyme, donc Kattenhorn espère que son travail pourrait conduire à une thérapie largement applicable.

Bien que Kattenhorn soit virologue, son travail repose sur des sondes fabriquées par des chimistes dans le laboratoire de Ploegh. Howard Hang, un post-doctorant en chimie travaillant avec Ploegh, décrit ces sondes comme un appât pour extraire les protéines afin qu'elles puissent être examinées en détail. Chaque sonde a l'équivalent d'une mouche de pêche qui incite les protéines à mordre, ainsi qu'une ligne qui peut être utilisée pour les récupérer. Les sondes de Kattenhorn, par exemple, utilisent l'ubiquitine comme appât pour attirer les enzymes qui l'éliminent.

Ces sondes chimiques fonctionnent bien dans les études des parties de la cellule minées par les virus de l'herpès, mais elles ne peuvent pas être utilisées dans les cellules vivantes, explique Hang. Les sondes sont trop grosses pour entrer et sortir des cellules intactes, les cellules doivent donc être pulvérisées avant d'être examinées. Hang est en train de concevoir une sonde plus petite et plus flexible pour effectuer des études d'imagerie en direct de Salmonelle bactéries en action. Dans les cellules qu'il infecte, Salmonelle repousse en quelque sorte les protéases, des enzymes qui, comme les protéasomes, décomposent les protéines. Il empêche ainsi ses protéines révélatrices d'atteindre la surface cellulaire et d'être vues par les cellules T. Mais Salmonelle doit être intact et vivant pour réussir cet exploit.

Ploegh utilise d'autres types de techniques d'imagerie des cellules vivantes pour étudier les interconnexions entre les différentes branches du système immunitaire. Il étudie également les cellules du système immunitaire qui fonctionnent à un niveau plus général que les cellules T tueuses. Plutôt que de répondre à une souche particulière de E. coli ou au virus de l'herpès simplex de type 1, ces cellules reconnaissent les menaces dans des catégories très générales – bactérie, virus ou champignon – et agissent rapidement. Les manuels font des distinctions nettes entre ces deux branches du système immunitaire, mais dans la vraie vie, elles sont intimement liées, explique Ploegh. Ils fonctionnent sur un spectre continu.

Lors d'une infection, un microbe essaie de se multiplier, et son hôte essaie de le détruire. Voilà le début d'une longue bataille, dit Ploegh. En étudiant les plans de guerre des virus de l'herpès et d'autres microbes, dit Ploegh, il ne cherche pas un moyen de guérir une maladie spécifique, mais une meilleure compréhension du fonctionnement du système immunitaire. Et cette compréhension nous préparera mieux à combattre toute maladie.

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