Cette image obtenue par microscopie à fluorescence montre des vacuoles de levure qui ont subi une séparation de phase. Crédit : Luther Davis/Alexey Merz/Université de Washington.
Les membranes sont cruciales pour nos cellules. Chaque cellule de votre corps est entourée d’une membrane. Et chacune de ces cellules contient des compartiments spécialisés, ou organites, qui sont également entourés de membranes.
Les membranes aident les cellules à effectuer des tâches telles que la décomposition de la nourriture en énergie, la construction et le démantèlement des protéines, le suivi des conditions environnementales, l’envoi de signaux et la décision de se diviser.
Les biologistes se sont longtemps efforcés de comprendre précisément comment les membranes accomplissent ces différents types de tâches. Les principaux composants des membranes – de grosses molécules graisseuses appelées lipides et des molécules compactes comme le cholestérol – constituent d’excellentes barrières. Dans tous les cas sauf quelques uns, on ne sait pas comment ces molécules aident les protéines à l’intérieur des membranes à faire leur travail.
Dans un article publié le 25 janvier 2022, dans la revue scientifique Proceedings of the National Academy of Sciencesune équipe de l’université de Université de Washington a étudié la séparation de phase dans la levure bourgeonnante – le même champignon unicellulaire qui fait la renommée de la boulangerie et de la brasserie – et rapporte que les cellules de levure vivantes peuvent réguler activement un processus appelé séparation de phase dans l’une de leurs membranes. Pendant la séparation de phase, la membrane reste intacte mais se divise en plusieurs zones ou domaines distincts qui séparent les lipides et les protéines. Les nouveaux résultats montrent pour la première fois que, en réponse aux conditions environnementales, les cellules de levure régulent précisément la température à laquelle leur membrane subit une séparation de phase. L’équipe à l’origine de cette découverte suggère que la séparation de phase est probablement un mécanisme de “commutation” que ces cellules utilisent pour régir les types de travail que les membranes effectuent et les signaux qu’elles envoient.
“Travail précédent ont montré que ces domaines peuvent être vus dans les membranes des cellules de levure vivantes “, a déclaré l’auteur principal, Chantelle LeveilIe, doctorante en chimie à l’UW. “Nous nous sommes demandés : S’il est important pour une cellule d’avoir ces domaines, alors si nous changeons l’environnement de la cellule – en la cultivant à différentes températures – la cellule s’en soucierait-elle et consacrerait-elle de l’énergie à maintenir la séparation des phases dans ses membranes ? La réponse claire est oui, elle le fait !”
Des recherches antérieures ont montré que lorsque le sucre est abondant, la vacuole de la cellule de levure – un organite important pour le stockage et la signalisation – s’agrandit et sa membrane apparaît uniforme au microscope. Mais lorsque les réserves de nourriture diminuent, la vacuole subit une séparation de phase, de nombreuses zones rondes apparaissant dans la membrane de l’organite.
Dans cette nouvelle étude, Leveille et ses co-auteurs – Sarah Keller, professeur de chimie à l’UW, Alexey Merz, professeur de biochimie à l’UW et Caitlin Cornell, précédemment doctorante en chimie à l’UW – ont cherché à comprendre si la levure peut réguler activement la séparation de phase. Leveille a cultivé des levures à la température habituelle des laboratoires, soit 86°F, avec beaucoup de nourriture. Lorsque la nourriture a diminué, les membranes des vacuoles des cellules de levure ont subi une séparation de phase, comme prévu. Lorsque Leveille a brièvement augmenté la température de l’environnement de la levure d’environ 25 degrés, les membranes de la vacuole se sont séparées, comme prévu. Fahrenheitles domaines ont disparu. Ensuite, Leveille a cultivé la levure à une température plus froide – 77 F au lieu de 86 F – et a découvert que les domaines disparaissaient à environ 25 degrés au-dessus de cette nouvelle température. Lorsqu’elle a cultivé la levure dans des conditions encore plus froides, à 68 °F, la séparation de phase a de nouveau disparu à environ 25 degrés au-dessus de leur température de croissance.
Ces expériences ont montré que les cellules de levure maintenaient toujours la séparation de phase dans la membrane de la vacuole jusqu’à ce que la température augmente d’environ 25 degrés au-dessus de leur température de croissance.
“Nous pensons qu’il s’agit d’un signe clair que les cellules de levure modifient la membrane de la vacuole dans différentes conditions environnementales pour maintenir cet état constant de séparation de phase”, a déclaré Leveille.
La séparation de phase dans la membrane de la vacuole sert probablement un objectif important chez la levure, a-t-elle ajouté.
“Ce résultat suggère que la séparation de phase de la membrane chez la levure est probablement une porte à double sens”, a déclaré Leveille. “Par exemple, si les cellules retrouvaient de la nourriture, elles voudraient revenir à leur état d’origine. Les levures ne veulent pas s’éloigner trop de la transition.”
Les recherches futures pourraient identifier d’autres composants membranaires qui affectent la capacité de la membrane de la vacuole à se séparer en phase, ainsi que les conséquences de cette séparation. Les biologistes savent que, lorsque les domaines apparaissent dans la membrane de la vacuole de la levure,la cellule cesse de se diviser. Ces deux événements peuvent être liés car la membrane de la vacuole de la levure contient deux complexes de protéines qui sont importants pour la division cellulaire. Lorsque ces complexes sont éloignés l’un de l’autre, la division cellulaire s’arrête.
“La séparation de phase dans la vacuole se produit juste au moment où la cellule de levure doit arrêter de se diviser parce que sa réserve de nourriture est épuisée”, a déclaré Merz. “Une idée est que la séparation de phase est le mécanisme que la cellule de levure ‘utilise’ pour séparer ces deux complexes protéiques et arrêter la division cellulaire.”
Dans les cellules, de la levure à l’homme, les complexes protéiques intégrés dans les membranes affectent le comportement cellulaire. Si des recherches supplémentaires montrent que la séparation des phases dans la vacuole de la levure régule la division cellulaire, il s’agirait probablement du premier exemple rigoureux de régulation cellulaire par cette propriété des membranes, autrefois négligée.
“La séparation de phase pourrait être un mécanisme commun et réversible permettant de moduler de très nombreux types de propriétés cellulaires”, a déclaré Keller.
Cornell est maintenant un chercheur postdoctoral à l’Institut de recherche sur les cellules. Université de Californie, Berkeley. La recherche a été financée par les National Institutes of Health et la National Science Foundation.
Référence : “Yeast cells actively tune their membranes to phase separate at temperatures that scale with growth temperatures” par Chantelle L. Leveille, Caitlin E. Cornell, Alexey J. Merz, et Sarah L. Keller, 25 janvier 2022, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2116007119
