Informations

Quel est le mécanisme derrière « la perte de chaleur par les extrémités » ?

Quel est le mécanisme derrière « la perte de chaleur par les extrémités » ?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Je peux comprendre comment si vous ne faites pas circuler suffisamment de sang (chaud), en ne bougeant pas beaucoup dans un environnement froid, vos extrémités eux-mêmes perdre de la chaleur et devenir froid - mais je ne comprends pas comment ils (les mains, les pieds et la tête) peuvent faire le du repos de votre corps perd aussi de la chaleur.

« Extirper la chaleur de votre corps » (comme les gens me l'ont appelé) n'a pas de sens en soi - quel(s) est (s) le(s) mécanisme(s) réel(s) derrière les extrémités (exposées, relativement non circulées), « extraire » la chaleur de corps?

Est-ce qu'il dessine simplement le avoir besoin pour chauffer ces extrémités (mal isolées, circulées) de la distribution existante de chauffage des autres parties de votre corps, réduisant ainsi la chaleur de ces autres parties ?

Si oui, comment cette arriver? Dans le cas ci-dessus, où vous ne déplacez pas le corps pour faire circuler le sang chaud vers les mains (ou en utilisant d'autres stimuli de réchauffement comme la friction), comment se produirait alors le « transfert de chaleur » vers les mains ? Ou est-ce qu'il « perd lentement de la chaleur » et devient de plus en plus froid (ce qui me ramènerait alors à ma question, comment cela expliquerait-il que le reste de votre corps se refroidisse à cause du refroidissement des extrémités) ?


Vos extrémités perdent de la chaleur plus rapidement que le reste de votre corps, car elles ont une surface plus élevée par unité de volume. L'échange de chaleur se produit au niveau des surfaces, donc si vous avez plus de surface, vous transférez la chaleur plus rapidement. Imaginez que vous ayez une sphère d'eau d'un volume de 1 litre et un long cylindre d'eau, également de 1 litre, disons 1 cm de large, la sphère retiendra la chaleur plus longtemps car elle a moins de surface par unité de volume.

Pourquoi la perte de chaleur par les extrémités refroidit-elle le reste de votre corps ? A cause de ton sang. Lorsque le sang circule dans votre cœur, il absorbe la chaleur des tissus environnants. Le sang transporte cette chaleur jusqu'aux extrémités, où des tissus plus froids l'éloignent du sang. C'est un peu comme la façon dont le liquide de refroidissement de votre voiture transporte la chaleur du bloc moteur vers le radiateur.

Lorsqu'il fait très froid, votre corps réduira le flux sanguin vers les extrémités pour économiser de la chaleur, rendant vos doigts vulnérables aux engelures. Cependant, il ne peut pas arrêter la circulation sanguine, ces tissus ont toujours besoin d'oxygène, vous perdez donc encore de la chaleur.


Cet article utilise la modélisation mathématique pour étudier les mécanismes de suppression de l'environnement dans le cortex visuel des primates. Nous présentons un modèle de circuit neuronal à grande échelle composé de trois composants interconnectés : LGN et deux couches d'entrée (couche 4Ca et couche 6) du cortex visuel primaire V1, couvrant plusieurs centaines d'hypercolonnes. Des structures anatomiques sont incorporées et des paramètres physiologiques issus de travaux de modélisation réalistes sont utilisés. Les paramètres restants sont choisis pour produire des sorties de modèle qui émulent les courbes de réglage de la taille observées expérimentalement. Nos deux principaux résultats sont : (i) nous avons découvert le caractère des connexions à longue portée dans la couche 6 responsables des effets surround dans les couches d'entrée et (ii) nous avons montré qu'un retour net-inhibiteur, c'est-à-dire un retour qui excite I- cellules plus que les cellules E, de la couche 6 à la couche 4 est propice à la production de propriétés surround cohérentes avec les données expérimentales. Ces résultats sont obtenus par la sélection des paramètres et l'analyse du modèle. Les effets de l'excitation et de l'inhibition récurrentes non linéaires sont également discutés. Une caractéristique qui distingue notre modèle des précédents travaux de modélisation sur la suppression de l'environnement est que nous avons essayé de reproduire des échelles de longueur réalistes qui sont cruciales pour la comparaison quantitative avec les données. En raison de sa taille et du grand nombre de paramètres inconnus, le modèle est difficile en termes de calcul. Nous démontrons une stratégie qui consiste d'abord à localiser les valeurs de référence pour les paramètres pertinents à l'aide d'un modèle linéaire, suivi de l'introduction de non-linéarités si nécessaire. Nous trouvons une telle méthodologie efficace et la proposons comme une possibilité dans la modélisation de systèmes biologiques complexes.


Mécanismes moléculaires de la tolérance des plantes au stress thermique : paysage actuel et perspectives d'avenir

Nous résumons des études récentes axées sur la base moléculaire de la réponse au stress thermique des plantes (RHS), comment la RHS conduit à la thermotolérance et promouvons l'adaptation des plantes aux événements de stress thermique récurrents.

Résumé

La productivité mondiale des cultures est confrontée à des menaces sans précédent en raison du changement climatique, car les températures élevées influencent négativement la croissance et le métabolisme des plantes. En raison de leur nature sessile, les plantes ont développé des réseaux de signalisation complexes qui leur permettent de percevoir les changements de température ambiante. Cela active à son tour une série de changements moléculaires qui favorisent la survie et la reproduction des plantes dans des conditions défavorables. Le déchiffrement de ces mécanismes est une tâche importante, car cela pourrait faciliter le développement de marqueurs moléculaires, qui pourraient finalement être utilisés pour sélectionner des cultivars thermotolérants. Dans le présent article, nous résumons les mécanismes impliqués dans l'acclimatation des plantes au stress thermique en mettant l'accent sur les progrès liés à la perception du stress thermique, à la signalisation induite par la chaleur, à l'expression des gènes sensibles au stress thermique et à la thermomémoire qui favorisent l'adaptation des plantes à la récurrence à court et à long terme. événements de stress thermique. En fin de compte, nous discuterons de l'impact des technologies émergentes qui pourraient faciliter le développement de cultivars de cultures tolérantes au stress thermique.

Ceci est un aperçu du contenu de l'abonnement, accessible via votre institution.


La physiologie (de base) de l'étirement statique

Les étirements statiques sont une composante mal comprise du fitness, de l'entraînement sportif et de la rééducation. Le but de cet article est d'expliquer 3 choses :

· Que se passe-t-il exactement lorsque vous vous étirez de manière statique

· Quelles sont les limites/négatifs des étirements statiques

· Quels sont les points positifs/avantages des étirements statiques

Au-delà de cela, c'est à vous de décider comment (et si) vous pensez que les étirements statiques sont quelque chose que vous souhaitez intégrer à votre routine de fitness.

Quelques informations de base anatomiques :

Le système musculo-squelettique :

Les muscles, les os, les ligaments, les tendons et le tissu conjonctif/fascia constituent ce qu'on appelle le système musculo-squelettique du corps. Les os permettent une posture droite et fournissent un soutien structurel au corps. Les muscles permettent au corps de bouger (en se contractant, et donc en générant des tensions). Les muscles sont attachés à l'os par des tendons et lorsqu'ils se contractent, ils créent un mouvement. Le point où les os se connectent les uns aux autres s'appelle une articulation, et les ligaments, les capsules articulaires et le tissu conjonctif soutiennent cette connexion.

Au plus haut niveau, le muscle (entier) est composé de nombreux brins de tissu appelés fascicules. (Ce sont les brins de muscle que nous voyons lorsque nous coupons de la viande rouge ou de la volaille.) Chaque faisceau est composé de faisceaux, qui sont des faisceaux de nombreuses fibres musculaires microscopiques. Les fibres musculaires sont à leur tour composées de dizaines de milliers de myofybrilles filiformes, qui peuvent se contracter, se détendre et s'allonger (s'allonger). Les myofybrilles sont (à leur tour) composées de millions de bandes mises bout à bout appelées sarcomères. Chaque sarcomère est constitué de filaments épais et minces qui se chevauchent appelés myofilaments. Les myofilaments épais et minces sont constitués de protéines contractiles, principalement l'actine et la myosine.

La physiologie (de base) de la contraction musculaire :

Le fonctionnement de tous ces différents niveaux du muscle est le suivant : Les nerfs relient la colonne vertébrale au muscle. L'endroit où le nerf et le muscle se rencontrent s'appelle la jonction neuromusculaire. Lorsqu'un signal électrique traverse la jonction neuromusculaire, il est transmis au plus profond des fibres musculaires. À l'intérieur des fibres musculaires, le signal stimule le flux de calcium, ce qui fait glisser les myofilaments épais et minces les uns sur les autres. Lorsque cela se produit, la longueur du sarcomère se raccourcit, ce qui génère une force (c'est-à-dire une contraction). Lorsque des milliards de sarcomères dans le muscle se raccourcissent d'un seul coup, il en résulte une contraction de la fibre musculaire ENTIÈRE.

Maintenant, un concept important à comprendre est le suivant : lorsqu'une fibre musculaire se contracte, elle se contracte complètement. Il n'existe pas de fibre musculaire partiellement contractée. Les fibres musculaires sont incapables de faire varier l'intensité de leur contraction par rapport à la charge contre laquelle elles agissent. Au contraire, la force de contraction musculaire varie de forte à faible en fonction du NOMBRE de fibres impliquées. Fondamentalement, plus de fibres musculaires sont recrutées, au fur et à mesure qu'elles sont nécessaires, pour effectuer le travail à accomplir. Plus il y a de fibres musculaires recrutées par le système nerveux central, plus la force générée par la contraction musculaire est forte. Ce concept se résume à l'efficacité énergétique. Il faut de l'énergie pour contracter les fibres musculaires, et le corps aime conserver l'énergie. Ainsi, il recrute les fibres une par une en recherchant le moins nécessaire pour déplacer la charge. Cela signifie que vous utilisez moins de fibres musculaires pour ramasser une bouteille d'eau que pour soulever un gallon de lait.

Et enfin:

La physiologie (de base) de l'étirement :

L'étirement d'une fibre musculaire commence par le sarcomère, l'unité de base de contraction de la fibre musculaire. Au fur et à mesure que le sarcomère se contracte, la zone de chevauchement entre les myofilaments épais et minces augmente (voir ci-dessus). En s'étirant, cette zone de chevauchement DIMINUE, permettant à la fibre musculaire de s'allonger. Une fois que la fibre musculaire est à sa longueur de repos maximale (tous les sarcomères sont complètement étirés), un étirement supplémentaire exerce une force sur le tissu conjonctif environnant. Lorsque la tension augmente, les fibres de collagène du tissu conjonctif s'alignent le long de la même ligne de force que la tension. Ainsi, au fur et à mesure que vous continuez à vous étirer, la fibre musculaire est tirée sur toute sa longueur de sarcomère par le sarcomère, puis le tissu conjonctif prend le reste. Lorsque cela se produit, il peut être utile de réaligner les fibres désorganisées dans le sens de la tension. Ce réalignement peut être ce qui aide à restaurer la santé des tissus cicatriciels (pendant la récupération d'une blessure musculaire/après une intervention chirurgicale).

Lorsqu'un muscle est étiré, certaines de ses fibres s'allongent, mais d'autres fibres peuvent rester au repos. La longueur actuelle de l'ensemble du muscle dépend du nombre de fibres étirées (de la même manière que la force totale d'un muscle en contraction dépend du nombre de fibres recrutées qui se contractent). Une façon de visualiser cela est de penser à de petits groupes de fibres tout au long de l'étirement du corps musculaire, tandis que d'autres groupes de fibres sont simplement « participant à la balade ». Ainsi, plus il y a de fibres qui sont étirées dans ce processus, plus longueur développée par le muscle étiré.

En ce qui concerne le processus d'étirement, il est également important de comprendre comment les composants cérébraux/neuraux du système musculo-squelettique s'adaptent à l'étirement. (Pour info, il s'agit de la version simplifiée, veuillez donc comprendre qu'il y a d'autres facteurs impliqués). Lorsque le muscle est étiré, le fuseau musculaire l'est aussi (un point de contrôle nerveux situé parmi les groupes de fibres musculaires). Le fuseau musculaire enregistre le changement de longueur du muscle et la vitesse à laquelle ce changement se produit. Il envoie ensuite des signaux à la colonne vertébrale, qui transmet ensuite ces informations au cerveau. Initialement, cette information déclenche le réflexe d'étirement, qui tente de résister au changement de longueur du muscle en provoquant la contraction du muscle étiré. Plus le changement de longueur musculaire est soudain, plus les contractions musculaires seront fortes (pourquoi vous ne « rebondissez pas les étirements ».) Cette fonction de base du fuseau musculaire aide à maintenir le tonus musculaire et à protéger le corps des blessures.

Vue de l'orgue à tendon de Golgi (GTO)

Maintenant, si la force et la soudaineté de l'étirement dépassent la capacité du muscle à se contracter en toute sécurité pour se protéger (c'est-à-dire dépasser sa force), un autre composant neuronal, l'organe tendineux de Golgi (GTO), entre en action et prend le pouvoir sur le fuseau musculaire. Fondamentalement - lorsque les muscles se contractent (peut-être en raison du réflexe d'étirement), ils produisent une tension au point où le muscle est connecté au tendon. C'est là que se trouve l'organe tendineux de Golgi. L'organe du tendon de Golgi enregistre alors le changement de tension et le taux de changement de tension, et envoie des signaux à la colonne vertébrale pour transmettre cette information. Lorsque cette tension dépasse un certain seuil, elle déclenche la réaction d'allongement, qui inhibe la contraction du muscle et le fait plutôt se détendre et s'allonger. La réaction d'allongement n'est possible que parce que la signalisation de l'organe du tendon de Golgi à la moelle épinière est suffisamment puissante pour surmonter la signalisation des fuseaux musculaires indiquant au muscle de se contracter. Considérez les deux systèmes comme une « double sécurité intégrée » qui aide en fin de compte à réduire votre risque de blessure.

Pourquoi nous nous étirons lentement et pendant une période prolongée :

L'une des raisons pour lesquelles vous maintenez un étirement pendant une période prolongée est que lorsque vous maintenez le muscle dans une position étirée, le fuseau musculaire s'habitue (s'habitue à la nouvelle longueur) et réduit sa signalisation. Progressivement, vous pouvez entraîner vos récepteurs d'étirement pour permettre un plus grand allongement des muscles. Ceci, à son tour, augmente également votre « flexibilité » car le fuseau musculaire permet désormais à votre muscle de s'étirer davantage avant de se contracter.

Une autre raison de maintenir un étirement pendant une période prolongée est de permettre à la réaction d'allongement (causée par l'organe tendineux de Golgi) de se produire, aidant ainsi les muscles étirés à se détendre. Évidemment, il est plus facile d'étirer ou d'allonger un muscle lorsqu'il n'essaie pas de se contracter.

Fait amusant:

Certaines sources suggèrent qu'avec un entraînement intensif, le réflexe d'étirement de certains muscles peut être volontairement contrôlé de sorte qu'il y ait peu ou pas de contraction réflexe en réponse à un étirement soudain. (Ceci est une déclaration « wow » au cas où vous vous poseriez la question...) Bien que ce type de contrôle offre la possibilité de gagner en flexibilité, il offre également le plus grand risque de blessure s'il est utilisé de manière incorrecte. Il convient de noter que les athlètes et les danseurs professionnels de haut niveau au sommet de leur sport (ou de leur art) sont censés posséder ce niveau de contrôle musculaire (donc ne vous sentez pas mal si vous essayez de tomber dans une division complète et les choses s'est mal passé…).

Ce que disent les recherches actuelles sur les étirements statiques :

De nombreuses études ont été réalisées sur les étirements et leurs effets sur les performances sportives en général. La majorité des recherches actuelles suggèrent que l'étirement statique AVANT l'activité peut induire une faiblesse temporaire du muscle, diminuer la capacité du récepteur musculaire à déclencher le « réflexe d'étirement » et peut augmenter le risque de blessure. La littérature note qu'il y a une perte de puissance/force contractile jusqu'à 30 minutes après l'étirement statique et en tant que tel, le muscle ne peut pas se contracter au maximum si nécessaire. Ce ne sont pas des informations nouvelles - la plupart des recherches s'inspirent d'études réalisées dès les années 90 et 00. En tant que physiothérapeute, je serais d'accord avec cette position et recommanderais un échauffement plus dynamique avant la plupart des sports. Si vous devez faire des étirements statiques avant l'activité (parce que votre sport l'exige/cela fait partie de votre routine personnelle), envisagez ensuite de passer à un échauffement doux et dynamique avant l'activité proprement dite.

Les étirements statiques présentent des avantages positifs sur la santé globale, la mobilité et la flexibilité. Comme nous en avons discuté ci-dessus, les étirements provoquent un allongement des muscles et des tendons, et ces changements peuvent être quelque peu permanents et certainement bénéfiques pour le sport et le bien-être. Je vais argumenter (et j'ai quelques recherches pour me soutenir) que les étirements statiques APRÈS l'activité ont une valeur immense - surtout si vous essayez de devenir plus flexible, de traiter les blessures et d'améliorer votre mobilité globale. Dans ce sens, si vous êtes un acrobate, un acrobate, un gymnaste, un danseur ou un yogi, il est essentiel pour l'acquisition de compétences et l'amélioration de la technique.

Lorsque vous vous étirez après une activité, les muscles sont fatigués et bien vascularisés (pensez à une circulation sanguine saine et nutritive). La fatigue vous permet de profiter de la réaction d'allongement (discutée ci-dessus) et les sarcomères sont moins capables de se contracter (ils « ne peuvent donc pas lutter » aussi fort contre l'étirement). Plusieurs articles suggèrent également que les étirements (en douceur) après l'activité peuvent diminuer la douleur post-entraînement. Enfin, un bon entraînement causera des micro-traumatismes aux muscles et l'adaptation ultérieure (ce qui nous rend plus forts) peut se produire avec une longueur de fibre accrue lorsque vous vous étirez par la suite. Cela signifie que lorsque vous gagnez en force, les étirements après une séance d'entraînement peuvent vous permettre d'éviter la perte de flexibilité associée à la croissance des fibres musculaires (plus à venir lors d'un blog ultérieur).

En résumé:

L'étirement statique est quelque chose qui peut être dangereux et bénéfique, et en tant que tel, assurez-vous de connaître la technique et le raisonnement qui la sous-tend. Suivez les conseils de votre physiothérapeute, médecin et coach - et oui, soyez « flexible » à ce sujet.

Les références:

Avela, J., Kyrolainen. H. et Komi. P.V. Sensibilité réflexe altérée après des étirements musculaires passifs répétés et prolongés. Journal de physiologie appliquée. 1999. 86 : 1283-1291.

Beedle BB, Mann CL. Une comparaison de deux échauffements sur l'amplitude articulaire. J Force Cond Rés. Août 2007. 21 : 776-779.

DeDeyne, P.G. Application de l'étirement passif et ses implications pour les fibres musculaires. Thérapie physique. 2001. 81 : 819-827.

Dutton, M. (2008). Orthopédie : examen, évaluation et intervention (2e éd.). New York : Les McGraw-Hill Companies, Inc.

Gajdosik, R.L. Extensibilité passive du muscle squelettique: revue de la littérature avec implications cliniques. Biomécanique clinique. 2001. 16 : 87-101.

Harvey, L., Herbert, R. et Crosbie, J. Les étirements induisent-ils des augmentations durables du ROM articulaire ? Une revue systématique. International de recherche en physiothérapie. 2002. 7 : 1-13.

Député McHugh, Cosgrave CH. S'étirer ou ne pas s'étirer : le rôle des étirements dans la prévention des blessures et la performance. Journal scandinave de médecine et de science du sport. Avr 2010. 20 : 169-181.

Neumann DA. Kinésiologie du système musculo-squelettique : fondements de la réadaptation physique.2e éd. Sciences de la santé Elsevier 2009.

Power K, Behm D, Cahill F, Carroll M, Young W. Un épisode aigu d'étirement statique : effets sur la force et les performances de saut. Med Sci Sports Exerc. Août 2004. 8:1389-1396.

Weerapong, P., Hume, P.A. et Kolt, G. Stretching : mécanismes et avantages pour la performance sportive et la prévention des blessures. Avis sur la physiothérapie. 2004. 9 : 189-206.

Yuktasir B, Kaya F. Enquête sur les effets à long terme des exercices d'étirement statiques et PNF sur l'amplitude de mouvement et les performances de saut. J Bodyw Mov Ther. janv. 2009. 13 : 11-21.


Mécanismes moléculaires derrière la localisation de l'ARNm dans les axones

La localisation de l'ARN messager (ARNm) permet une régulation spatio-temporelle du protéome au niveau subcellulaire.Ceci est observé dans les axones des neurones, où la localisation de l'ARNm est impliquée dans la régulation du développement et de la fonction neuronale en orchestrant des réponses adaptatives rapides aux signaux extracellulaires et le maintien de l'homéostasie axonale par la traduction locale. Ici, nous donnons un aperçu des principales découvertes qui ont élargi nos connaissances sur la façon dont des ARNm spécifiques sont trafiqués et localisés dans les axones. En particulier, nous passons en revue les études transcriptomiques étudiant la teneur en ARNm dans les axones et les principes moléculaires qui sous-tendent la façon dont ces ARNm y sont arrivés, y compris les séquences d'ARNm à action cis et les protéines à action trans jouant un rôle. De plus, nous discutons des preuves qui relient la localisation défectueuse de l'ARNm axonal et les résultats pathologiques.

1. Introduction

Les neurones ont la capacité de parcourir d'énormes distances à travers le corps. La longueur cumulative moyenne estimée d'un axone cholinergique du cerveau antérieur humain est d'environ 100 m [1], tandis que les branches dendritiques des neurones alpha-moteurs de la colonne vertébrale du chat ont une longueur combinée moyenne de près de 5 mm [2]. Cette morphologie complexe permet la connectivité précise nécessaire pour relayer et traiter les informations à travers le système nerveux. Mais si ces figures illustrent la diversité géométrique des différents types de neurones et les longueurs remarquables de leurs processus cytoplasmiques, elles présentent également un dilemme. Avec de longs processus axonaux et dendritiques, comment les neurones répondent-ils rapidement aux signaux avec une grande précision spatiale lorsque la source du signal peut parfois se trouver à quelques mètres du corps cellulaire ? Une solution consiste à acheminer des ensembles particuliers d'ARN messagers (ARNm) dans des processus neuronaux, où ils peuvent ensuite être traduits localement dans des conditions basales et en réponse à des signaux particuliers. Cette approche de localisation des ARNm aux processus axonaux et dendritiques offre plusieurs avantages. Premièrement, parce que les ARNm sont souvent transportés dans un état de silence traductionnel, ils permettent aux protéines d'agir sur leur site de synthèse, facilitant les interactions protéiques spécifiques nécessaires localement (telles que la formation de complexes) et empêchant l'expression et le fonctionnement aberrants des protéines qui pourraient être délétère dans d'autres régions cellulaires. Deuxièmement, étant donné que de nombreuses protéines - généralement des milliers [3,4] - sont traduites à partir d'un seul ARNm, cela fournit un moyen économe en énergie pour localiser de nombreuses protéines en transportant la molécule d'ARNm qui les code. Enfin, la localisation de l'ARNm fournit aux cellules polarisées des degrés importants d'autonomie subcellulaire. Les axones et les dendrites ont des fonctions différentes et chacun doit répondre à différents signaux environnementaux envoyés au corps cellulaire. En localisant des sous-ensembles spécifiques d'ARNm à des emplacements subcellulaires particuliers, ces régions ont par la suite la capacité de réguler spatio-temporellement leur propre protéome à la fois en réponse aux demandes locales et aux signaux extracellulaires.

Le rôle de la localisation de l'ARNm dans les axones neuronaux était autrefois un sujet controversé. Les premières études ont identifié des polysomes et un appareil de synthèse protéique dans les dendrites [5,6] mais n'ont pas détecté de polysomes axonaux, ni la présence d'appareil de Golgi et de réticulum endoplasmique rugueux (RER) nécessaires au traitement des protéines nouvellement synthétisées [5,7,8]. Depuis lors, cependant, les progrès technologiques ont permis la visualisation directe de la traduction de l'ARNm des axones [9], des ribosomes à traduction active ont été isolés des axones [10], et il a été démontré que les composants de l'appareil de Golgi et du RER sont distribués le long des axones [11] . Pour ce dernier, cependant, le manque de preuves de la structure et du fonctionnement classiques des appareils RER et de Golgi dans les axones a conduit à suggérer des voies non canoniques pour le traitement des protéines transmembranaires et sécrétées nouvellement synthétisées dans les axones [12]. De plus, il a également été démontré que les monosomes (ribosomes uniques abondants dans les axones) se traduisent activement [13,14]. Les 25 dernières années ont vu une recrudescence d'études décrivant les nombreux rôles importants que joue la traduction de l'ARNm axonal. Au cours du développement de la connectivité neuronale, la traduction locale a été impliquée dans l'excroissance axonale, la navigation, la ramification et la synaptogenèse (revue dans [15]). De plus, la synthèse des protéines axonales se poursuit à l'âge adulte, où la traduction locale de l'ARNm est non seulement impliquée dans la régénération [16], mais aussi dans la plasticité présynaptique ainsi que le maintien des synapses [17–20].

Dans cette revue, nous nous concentrerons sur un aspect spécifique (et peu compris) de la régulation de la traduction locale de l'ARNm dans les axones : la localisation de l'ARNm lui-même. Quels sont les ARNm présents dans les axones et comment se déplacent-ils ? Quelles caractéristiques permettent aux ARNm d'atteindre sélectivement la pointe de l'axone ? Des défauts de localisation de l'ARNm axonal pourraient-ils sous-tendre les mécanismes pathologiques derrière les troubles neurologiques ? Une multitude d'études a commencé à aborder ces questions importantes et a ouvert la voie à de futurs progrès dans le domaine.

2. Analyse du transcriptome : une vue générale sur la localisation de l'ARNm axonal

Il a été démontré que des milliers d'ARNm se localisent dans les axones, formant des bibliothèques d'ARNm fonctionnellement pertinentes dont la composition est distincte du soma, ce qui suggère l'existence de mécanismes moléculaires pour un ciblage axonal sélectif [21–25]. À plusieurs reprises, il a été montré que les axones sont enrichis de groupes d'ARNm qui ont des fonctions pertinentes dans les processus axonaux connus, comme ceux codant pour des protéines associées à la régulation de la traduction, aux fonctions mitochondriales et au transport intracellulaire [21-26]. Au sein des axones eux-mêmes, différents ARNm ont des schémas de localisation différents - certains sont enrichis dans la tige axonale (par exemple, des ARNm codant pour des protéines impliquées dans le trafic et le repliement des protéines), et d'autres sont spécifiquement enrichis dans le cône de croissance distal règlement) [21]. En revanche, certains ARNm, tels que carte2 et ??-actine, sont présents dans le corps cellulaire mais sont sélectivement exclus des axones de certains neurones [27,28]. Il a récemment été démontré que plusieurs de ces catégories d'ARNm enrichis en axones comprenaient un transcriptome de neurite central conservé (dendrite et axone). Ceux-ci incluent les ARNm codant pour la machinerie traductionnelle, les protéines du cytosquelette ainsi que les protéines mitochondriales, et indiquent que certains ARNm sont constitutivement localisés dans les projections neuronales quels que soient le type et l'espèce de projection [29].

2.1. Le transcriptome axonal changeant

Il a été démontré que les transcriptomes axonaux varient dans une certaine mesure entre les types de neurones. Un article récent comparant les ensembles de données du transcriptome du ganglion de la racine dorsale (DRG) et des axones des motoneurones a révélé que les deux tiers des ARNm enrichis axonalement sont partagés. Ainsi, alors qu'il existe une bonne fraction de chevauchement, un degré de discordance existe également qui indique une spécialisation dans les transcriptomes axonaux entre les neurones [30]. Ces ARNm différentiellement enrichis comprennent ceux qui ont des fonctions d'ontologie génique (GO) dans l'activité des récepteurs, la chimiotaxie et l'assemblage des synapses, et peuvent par conséquent entraîner des aspects spécifiques du développement et du fonctionnement des motoneurones [30]. En effet, un autre exemple de différence de transcriptome de type neurone est illustré par les isoformes d'ARNm d'actine. Ici, on a longtemps pensé que le compartiment axonal des neurones ne contenait que les -actine Isoforme d'ARNm [28,31]. Cependant, il a été récemment rapporté que -, - et ??-les ARNm de l'actine sont présents dans les axones des motoneurones, leur traduction locale jouant différents rôles dans la ramification et la croissance des axones [32]. Bien qu'il s'agisse d'une question fascinante, il reste à voir comment différents pools locaux d'ARNm dans les axones pourraient aider à conférer des fonctions spécifiques liées au type de neurone via la traduction locale. Certaines spécialisations sont cependant assez explicites, par exemple la localisation d'ARNm codant pour les récepteurs olfactifs dans les axones des neurones olfactifs [33,34].

Au fur et à mesure que le neurone se développe, il a été rapporté que des changements dans le transcriptome axonal se produisent. On pense qu'ils répondent aux besoins spécifiques de l'axone à différents moments. Par exemple, alors que certains transcrits sont constitutivement enrichis en axones DRG embryonnaires et adultes (par exemple, les ARNm liés à la traduction et à la fonction mitochondriale), d'autres, tels que les ARNm codant pour les régulateurs du cytosquelette, le cycle cellulaire et les protéines de transport intracellulaire, sont spécifiquement enrichis en axones embryonnaires, tandis que les axones DRG adultes sont enrichis en ARNm associés à l'inflammation et à la réponse immunitaire [24]. Tout au long du développement lui-même, les axones des cellules ganglionnaires rétiniennes (CGR) modifient leur transcriptome. Les jeunes cônes de croissance sont particulièrement enrichis en ARNm codant pour les régulateurs de la synthèse des protéines, et au fur et à mesure que le développement progresse, il y a une régulation positive des ARNm codant pour des protéines impliquées dans des processus tels que la signalisation et le métabolisme dans les cônes de croissance plus âgés [21]. Ces changements développementaux dans les répertoires d'ARNm axonaux se reflètent dans le translatome des RGC de souris in vivo [dix]. Fait intéressant, cependant, les changements de développement dans le transcriptome axonal précèdent leur traduction, indiquant que les ARNm sont initialement stockés dans un état de silence traductionnel avant d'être démasqués à un moment ultérieur [10].

Le transcriptome axonal peut également être modifié par l'environnement extracellulaire. Un exemple classique est l'observation selon laquelle les signaux de guidage axonal et les facteurs de croissance tels que la neurotrophine-1, le BDNF, la nétrine-1 et le hérisson sonique peuvent stimuler une localisation accrue des cônes de croissance de -actine ARNm [35-39]. Lorsque le BDNF et la Nétrine-1 sont introduits en gradient, -actine L'ARNm se translocation vers la périphérie du cône de croissance du côté proche de la stimulation du signal de guidage attrayant, où la synthèse asymétrique de la protéine β-actine est censée favoriser l'assemblage préférentiel du filament d'actine d'un côté et ainsi la rotation du cône de croissance [38,39]. Bien qu'une analyse complète des répertoires d'ARNm axonaux modulés en réponse à des signaux extrinsèques soit manquante, il a été démontré que les signaux extracellulaires régulent la localisation axonale de nombreux ARNm codant pour des protéines telles que des enzymes, des facteurs anti-apoptotiques, des chaperons du réticulum endoplasmique et des régulateurs du cytosquelette [25,31,40 ,41]. Récemment, une étude protéomique a révélé comment différents signaux extracellulaires modifient le répertoire des protéines nouvellement synthétisées dans les axones à différents moments après l'application des signaux [42]. Cette étude soulève la question de savoir dans quelle mesure la localisation altérée de l'ARNm est responsable du remodelage du protéome induit par les signaux dans les axones. Il a été démontré que la régulation de la localisation de l'ARNm est le principal facteur contribuant à la localisation des protéines dans les neurites [43]. Cependant, les signaux extracellulaires peuvent également modifier les schémas de synthèse des protéines dans les terminaisons axonales en améliorant la traduction des ARNm indépendamment des changements dans la localisation de l'ARNm [44]. Coordonner l'étude des modifications du transcriptome de l'ARNm axonal et de la synthèse des protéines en réponse à des signaux extrinsèques sera donc une question importante et fascinante pour l'avenir.

2.2. Aperçu du contenu de l'ARNm axonal in vivo

Alors que de nombreuses études sur le transcriptome axonal ont été réalisées in vitro, des travaux récents ont également fourni des informations importantes sur la localisation de l'ARNm axonal in vivo. Par exemple, en développant une méthode pour trier les cônes de croissance des neurones de projection calleuse de souris in vivo, Poulopoulos et al. [45] ont découvert un enrichissement des transcrits contenant des motifs oligopyrimidines 5' terminaux (TOP) (y compris des ARNm codant pour la machinerie traductionnelle). Fait intéressant, la traduction des transcrits contenant TOP dépend de la cible mammifère de la rapamycine (mTOR), qui est enrichie dans les cônes de croissance des neurones de projection calleuse (avec d'autres protéines de la voie mTOR) et nécessaire à la croissance des axones. Cette distribution focale dans les cônes de croissance suggère un mécanisme pour contrôler précisément la localisation de ces ARNm et leur traduction dans les axones in vivo [45]. Dans une autre étude récente, Hafner et al. [44] ont utilisé le « tri des synaptosomes activé par fluorescence (FASS) » chez des souris knock-in VGLUT1 + venus pour isoler spécifiquement les compartiments présynaptiques. Ici, les auteurs ont démontré que in vivo les terminaisons axonales excitatrices de l'adulte sont enrichies d'ARNm codant pour des protéines présynaptiques, telles que celles impliquées dans la libération des vésicules présynaptiques [44]. Ces résultats sont en accord avec une in vivo étudier dans Caenorhabditis elegans qui a en outre confirmé un enrichissement axonal des ARNm avec des fonctions présynaptiques spécialisées, ainsi que la présence d'ARNm codant pour des protéines de liaison à l'ARN (RBP), dont la RBP Pumilio qui joue un rôle dans la régulation de la formation de la mémoire associative [46]. Ensemble, ces données de transcriptome mettent en évidence le rôle émergent de la localisation de l'ARNm axonal dans la régulation du développement et du fonctionnement présynaptiques in vivo [17,47,48].

3. Les protéines de liaison à l'ARN : les pierres angulaires de la localisation des ARNm axonaux

Des études transcriptomiques ont ainsi révélé que des ensembles particuliers d'ARNm sont enrichis en axones, mais comment ciblent-ils sélectivement les axones en premier lieu ? On pense que la réponse réside dans les RBP.

3.1. Régulation de l'ARNm par les RBP (un bref aperçu)

Des études sur divers types de cellules et d'organismes ont montré que les ARNm ne voyagent pas seuls. Au lieu de cela, elles sont traitées, trafiquées et finalement dégradées dans le cadre de complexes, collectivement appelés «particules de ribonucléoprotéine messagères» ou «mRNP». De tels complexes sont de composition très variable, composés de nombreuses protéines différentes, d'ARN non codants, d'ions et de petites molécules organiques qui peuvent rester associés en permanence ou être échangés dynamiquement lorsque le mRNP est remodelé tout au long de la durée de vie de l'ARNm [49,50]. Ici, les RBP facilitent le recrutement sélectif des ARNm dans les mRNP. Dans le noyau, les ARNm sont reconnus de manière co- et post-transcriptionnelle par les RBP, une interaction qui régit ensuite chaque étape de leur maturation et l'exportation nucléaire qui s'ensuit [51,52]. Pendant et après l'exportation nucléaire, les mRNP sont encore remodelés. Par exemple, les complexes de récepteurs d'exportation nucléaire sont déplacés du mRNP au niveau de la face cytoplasmique des pores nucléaires d'une manière dépendante de l'ATP [53]. De plus, le mRNP est maintenant exposé à de nouveaux RBP cytoplasmiques, qui peuvent, par exemple, favoriser le transport cytoplasmique du mRNP le long des pistes cytosquelettiques (voir §5). Un nombre restreint de domaines de liaison à l'ARN ont été caractérisés jusqu'à présent, notamment le domaine d'homologie K (KH), les doigts de zinc (Znf) et le motif de reconnaissance d'ARN (RRM) [51]. Ces domaines de liaison à l'ARN globulaires classiques forment des structures qui reconnaissent des séquences particulières au sein d'un transcrit d'ARNm grâce à la complémentarité de forme et aux interactions avec les bases nucléotidiques [54]. De plus, l'affinité de liaison entre l'ARNm et la RBP peut reposer sur un ou plusieurs domaines présents dans une RBP [54,55]. Outre les domaines classiques de liaison à l'ARN, les RBP peuvent interagir avec les ARNm via des sites de liaison à l'ARN non conventionnels ou non caractérisés, y compris situés dans certaines régions intrinsèquement désordonnées [56]. Chaque RBP s'associe à un sous-ensemble particulier d'ARNm, et les ARNm individuels ont la capacité de se lier à plusieurs RBP. En fin de compte, un contrôle précis de la signature moléculaire du mRNP est considéré comme essentiel pour cibler un emplacement subcellulaire et est obtenu grâce à de multiples modes d'action par différents RBP (figure 1une,b). Cependant, comment cela est régulé dans les neurones pour contrôler la localisation de l'ARNm axonal n'est pas encore clair.

Figure 1. Interaction moléculaire entre les protéines de liaison à l'ARN et les ARNm. Schéma des mécanismes moléculaires par lesquels les RBP peuvent réguler la localisation de l'ARNm. (une) Réglementation coopérative. Différentes RBP se lient au même ARNm cible et favorisent sa localisation (panneau de gauche). Alternativement, une RBP peut recruter des RBP supplémentaires dans le mRNP par le biais d'interactions protéine-protéine et, ensemble, piloter sa localisation (panneau de droite). (b) Réglementation concurrentielle. Les RBP avec une localisation distincte sont en compétition pour la liaison à l'ARNm cible avec des affinités différentes. La localisation de l'ARNm est ainsi contrôlée par l'abondance relative des RBP (panneau de gauche). Les interactions RBP-RBP empêchent la liaison à un ARNm cible et donc sa localisation subcellulaire (panneau de droite).

3.2. RBP régulant la localisation de l'ARNm dans les axones

L'une des premières RBP découvertes pour réguler la localisation de l'ARNm axonal est la protéine de liaison Zipcode 1 (ZBP1 chez les poussins, la souris et les homologues humains étant IMP-1, et dans Xénope Vg1RBP). ZBP1 est un RBP important pour le guidage axonal et la ramification, et il a été démontré qu'il régule -actine La localisation de l'ARNm dans les axones, qui a par la suite fourni un exemple séminal pour les changements régulés par les signaux dans la localisation de l'ARNm et la traduction d'un ARNm particulier par les RBP [38,39,57,58]. Cependant, en plus de ZBP1, -actine s'est également avérée s'associer directement à d'autres RBP connues pour être présentes dans les axones, telles que le (hn)RNP R nucléaire hétérogène et l'antigène D humain (HuD, également connu sous le nom d'ELAVL4) [59-61]. Comme cela a été montré pour la liaison ZBP1 -actine ARNm dans les axones neuronaux du cerveau antérieur [35], hnRNP R interagit avec le 3′UTR de -actine ARNm pour favoriser par la suite la localisation aux axones moteurs spinaux [61]. Si hnRNP R coopère directement avec ZBP1 pour conduire -actine Le trafic d'ARNm dans les axones, ou si différents RBP régulent la localisation axonale du même transcrit dans différents types et contextes de neurones reste à étudier plus avant. Cependant, la découverte que le knockdown de hnRNP R génère un phénotype plus sévère dans les axones des motoneurones par rapport aux autres types de neurones [61] suggère que le rôle de ces RBP dans la régulation des axones -actine La localisation de l'ARNm peut varier selon le type de neurone. Il existe cependant quelques cas de réglementation coopérative par les RBP. Par exemple, il a été rapporté que ZBP1 et HuD régulent de manière coopérative la localisation axonale de écart-43 ARNm en formant un complexe ARN-dépendant [62]. Un autre exemple légèrement différent est le mécanisme de « transfert » impliquant ZBP2 et ZBP1. Ici, la liaison ZBP2 de -actine L'ARNm dans le noyau facilite par la suite la liaison de la navette ZBP1 qui définit le cytoplasme -actine Localisation de l'ARNm dans les neurites [63]. D'autres exemples de RBP liant directement des ARNm spécifiques pour réguler leur localisation dans les axones incluent la survie du motoneurone (SMN) et de la nucléoline [64-67], les séquences particulières liées par ces RBP sont résumées dans le tableau 1. En plus de l'association RBP-ARN , il a également été démontré que la liaison RBP-RBP est importante pour moduler la localisation de l'ARNm axonal. Par exemple, HuD et SMN interagissent et se colocalisent dans les axones moteurs où ils régulent la localisation de l'ARNm [80].

Tableau 1. Éléments agissant en Cis identifiés comme étant impliqués dans la localisation de l'ARNm axonal.

Alors que les RBP sont importantes pour réguler l'exportation des ARNm vers les axones, elles peuvent à l'inverse déterminer si un transcrit particulier sera retenu dans le corps cellulaire et exclu du compartiment axonal. Cela a été observé dans les neurones corticaux, où le facteur 2 de liaison à la répétition des télomères RBP (TRF2-S) s'est avéré impliqué dans la régulation du trafic axonal de rab3a et aplp1 ARNm en liant un domaine riche en glycine-arginine (GAR) dans TRF2-S [81]. Dans ces neurones, la RBP FMRP s'est trouvée enrichie dans le compartiment somatique où elle entre en compétition avec rab3a et aplp1 ARNm pour se lier au domaine TRF2-S GAR, empêchant ainsi l'association de ces ARNm à TRF2-S et réduisant la quantité de cibles d'ARNm TRF2-S transportées dans les axones. Des résultats similaires ont également été obtenus récemment dans les neurones DRG. Ici, il a été observé que le RBP Pumilio 2 était limité aux corps cellulaires neuronaux, où il régule le transcriptome axonal par la rétention somatique d'un sous-ensemble spécifique de transcrits, un processus régulé par le développement et essentiel pour une croissance et une régénération axonales appropriées [82].

3.3. Séparation de phases et RBP axonale dans la localisation de l'ARNm

De nombreuses études récentes se sont concentrées sur l'assemblage de mRNP neuronaux en granules d'ordre supérieur par séparation de phase liquide-liquide (LLPS) - un processus réversible dans lequel les ARN et les protéines associées se condensent par de faibles interactions multivalentes pour se séparer de la phase diluée environnante [83, 84]. La taille, le nombre et les composants moléculaires des granules mRNP formés par LLPS peuvent changer rapidement en fonction des propriétés physiques et chimiques environnantes dans le cytoplasme [84]. Il a été rapporté que des réarrangements dynamiques des granules mRNP se produisent en fonction de besoins biologiques spécifiques ou de l'état cellulaire (par exemple, le stress) [84]. Par exemple, il a été récemment signalé dans C. elegans que les mRNP contenant le RBP TIAR-2 forment des granules de type liquide dans les axones dont le nombre augmente après une blessure in vivo un processus qui à son tour inhibe la régénération axonale [85]. L'assemblage des granules mRNP se produit par une combinaison d'interactions spécifiques protéine-protéine, protéine-ARN et ARN-ARN [86]. Les RBP jouent un rôle clé dans la promotion de la formation de mRNP de type liquide, et cela se produit principalement à travers des domaines typiquement composés de seulement quelques types différents d'acides aminés présents à haute fréquence qui sont appelés « de type prion », « faible complexité ». ou « intrinsèquement désordonné » [87]. Diverses mutations dans le domaine de faible complexité (LCD) des RBP ont été liées à une formation altérée de mRNP dans les neurones, induisant finalement des agrégats dans les compartiments neuronaux et conduisant au développement de troubles neurodégénératifs [88,89]. Il a été démontré que certaines de ces RBP contenant des LCD, telles que la protéine de liaison à l'ADN TAR 43 (TDP43) et fusionnées dans le sarcome/traduites dans le liposarcome (FUS/TLS), sont impliquées dans le transport et/ou la traduction de l'ARNm axonal [90,91 ]. Contrairement aux organites liés à la membrane, il a été démontré que les mRNP axonaux TDP-43 subissent une déformation de forme sous le cisaillement du transport axonal rapide, ce qui est compatible avec la tension superficielle dictant leur forme [92]. La taille et la trajectoire des mRNP axonaux TDP-43 ont également été modifiées à la suite d'événements de fusion ou d'interactions transitoires, suggérant un échange moléculaire entre les granules de mRNP [92]. De plus, les mRNP de TDP-43 ont été trouvés hétérogènes le long de l'axone, présentant une densité et une morphologie de granulés différentes qui reflètent probablement des changements dans la composition de mRNP dans différents microenvironnements [92]. Ces dernières découvertes soulèvent la question intrigante de savoir comment la variation locale des niveaux de RBP et d'ARN (ainsi que d'autres constituants tels que l'ATP et les ions) modulera la composition du mRNP le long de la tige axonale et régulera ainsi leur trafic. Remarquablement, les mRNP contenant du TDP-43 muté dans l'écran LCD ont affiché des changements significatifs dans leur viscosité vers un état plus solide qui était en corrélation avec un transport axonal altéré [92, 93]. Ces résultats suggèrent que le trafic axonal des granules mRNP dépend de leurs propriétés viscoélastiques et soulignent l'importance du LCD de la RBP dans ce processus. Une étude récente a démontré que le domaine de type prion de la Drosophile Imp RBP favorise la motilité axonale des mRNP contenant Imp in vivo [94]. Fait intéressant, les auteurs ont également découvert que le rôle de l'Imp LCD dans le transport axonal peut être découplé de sa fonction dans l'assemblage de mRNP. Cependant, des travaux supplémentaires seront nécessaires pour comprendre les principes moléculaires précis sous-jacents à l'assemblage des granules mRNP par LLPS dans les neurones, leur transport axonal ultérieur et dans quelle mesure ces granules participent à la localisation précise de transcrits spécifiques.

3.4. Un régulon axonal ?

Il a été découvert que les RBP ciblent des ensembles d'ARNm fonctionnellement apparentés dans de nombreux types de cellules et d'organismes. Un tel exemple a été démontré dans la famille Puf de RBP de levure, où chacun des cinq membres de RBP se lie à des ensembles distincts d'ARNm fonctionnellement apparentés [95]. Dans les fibroblastes humains, il a été rapporté que des ARNm codant pour des protéines appartenant au même complexe colocalisaient au sein du même mRNP [96]. De plus, il a été rapporté que les ARNm codant pour des protéines apparentées étaient co-traduits et assemblés simultanément en complexes à travers une gamme de types cellulaires et d'organismes [97]. Ces découvertes ont conduit à l'idée de «régulons d'ARN» selon laquelle, pour améliorer l'efficacité, des groupes d'ARNm pourraient être régulés de manière coordonnée par les RBP dans les cellules eucaryotes [98]. Étant donné que les ARNm résidant dans le cône de croissance axonal sont enrichis d'ensembles d'ARNm fonctionnellement apparentés (tels que ceux codant pour des protéines apparentées au cytosquelette et des protéines impliquées dans la traduction de l'ARNm [21]), les RBP axonales régulent-elles également de manière coordonnée la localisation et la traduction de ces ARNm fonctionnellement apparentés. ARNm ? Des études récentes ont en effet suggéré que cela pourrait être le cas. La polypose adénomateuse (APC) est une protéine associée aux microtubules qui est enrichie à l'extrémité de l'axone où elle joue un rôle dans la croissance, la navigation et la morphologie des axones en régulant le cytosquelette [99–102]. De manière intéressante, il a également été démontré que cette protéine fonctionnait en plus comme une RBP dans les axones [78]. Ici, il a été découvert que l'APC se lie à plusieurs ARNm liés à sa fonction connue de régulateur du cytosquelette (par exemple, les ARNm codant pour les moteurs associés aux microtubules et les isotypes de la tubuline). Parmi ces ARNm associés à l'APC, β2B-tubuline L'ARNm s'est avéré s'appuyer sur l'APC pour sa localisation et sa traduction axonale, une régulation requise pour une dynamique cytosquelettique appropriée et la morphologie des cônes de croissance [78]. Plus récemment, il a été démontré que le facteur d'épissage RBP riche en poly-glutamine (SFPQ) orchestre le transport axonal des ARNm codant pour des facteurs de survie essentiels au maintien des axones DRG [103]. De plus, SFPQ s'est avéré favoriser le co-assemblage de ces ARNm liés fonctionnellement au sein des mêmes mRNP, un rôle qui pourrait directement soutenir leur traduction axonale synchronisée si nécessaire [103].

Le fait que les régulons axonaux pourraient fournir un moyen efficace de réguler de manière coordonnée des ensembles d'ARNm pour effectuer des fonctions spécifiques soulève la question de savoir si ces ARNm sont transportés ensemble ou individuellement. Des études portant sur les ARNm localisés dans les dendrites neuronales ont révélé que les ARNm dendritiques se déplacent en faible nombre de copies et que certaines espèces différentes d'ARNm sont transportées indépendamment [104-106]. De même, au sein des axones, il a été démontré que les ARNm voyagent principalement en faible nombre de copies [107] tandis que certains ARNm, mais pas d'autres, se co-assemblent dans le même mRNP axonal [103]. Étant donné qu'un ARNm peut être traduit plusieurs fois, le transport de copies inférieures d'ARNm peut permettre un contrôle plus strict de la quantité et de la localisation des ARNm axonaux. Cependant, l'analyse stœchiométrique n'a été effectuée que pour un nombre limité d'espèces d'ARNm, et il reste concevable que le transport d'ARNm puisse être plus multiplexé pour certaines espèces ou circonstances d'ARNm (par exemple, comme observé pour certains ARNm de plasma germinatif dans Drosophile [108]). En effet, il s'agit d'une question particulièrement intrigante dans le cas des mRNP formés par LLPS.

En conclusion, alors que de nombreuses autres questions doivent encore être résolues concernant le rôle et le mode d'action des RBP individuels, le trafic axonal approprié d'un ARNm particulier semble reposer sur une combinaison de liaisons RBP-ARN et RBP-RBP qui sont modulées dynamiquement en fonction sur les besoins fonctionnels de l'axone.

4. Caractéristiques de l'ARNm qui déterminent leur localisation axonale

La reconnaissance de l'ARNm par des RBP spécifiques et leurs modèles de localisation ultérieurs pivotent sur des caractéristiques de séquence structurelle et primaire particulières au sein de l'ARNm lui-même. Il a été démontré que ces «éléments agissant en cis», ou «codes postaux», contrôlent le transport et l'ancrage de l'ARNm dans les compartiments subcellulaires [109].

4.1. Éléments agissant en cis qui pilotent le ciblage de l'ARNm axonal

Les éléments agissant en cis se présentent sous de nombreuses formes et tailles, allant de quelques nucléotides à des centaines de nucléotides [109]. Relativement peu d'éléments agissant en cis d'ARNm et de RBP correspondants ont été identifiés pour la localisation axonale (tableau 1). Tout comme les éléments agissant en cis impliqués dans la localisation de l'ARNm dans d'autres types cellulaires [109], ceux-ci peuvent dépendre de la séquence nucléotidique, de la structure ou des deux, et se trouvent principalement dans le 3'UTR. Un exemple est la localisation axonale du cytochrome c l'ARNm de l'oxydase IV (COXIV), une protéine mitochondriale codée dans le noyau impliquée dans la phosphorylation oxydative, où sa traduction locale est importante pour la production d'ATP et la croissance des axones [69,110]. Ici, une structure tige-boucle prédite de 38 nucléotides dans l'ARNm de COXIV s'est avérée suffisante pour conférer la localisation de l'ARNm axonal dans les neurones des ganglions cervicaux supérieurs [69]. L'immunoprécipitation de l'élément agissant en cis de l'ARNm COXIV a révélé une association avec environ 53 protéines, formant un interactome distinct par rapport à ceux des granules neuronaux de mRNP associés aux RBP Staufen2 et Barentsz (deux RBP associés au transport du mRNP vers les compartiments neuronaux dendritiques) [70,111]. Parmi ces protéines interagissant avec l'élément cis de l'ARNm COXIV, les RBP FUS et la protéine Y-box 1 (YB-1) ont été encore validées comme authentique partenaires de liaison, et leur knockdown a conduit à une diminution significative des niveaux d'ARNm de COXIV dans les axones [70]. Ici, tout en affectant les niveaux d'ARNm de COXIV axonal, le traitement par FUS siRNA n'a pas affecté les niveaux d'ARNm de COXIV dans le corps cellulaire, ce qui suggère que cette RBP pourrait réguler spécifiquement la localisation de l'ARNm dans les compartiments axonaux plutôt que d'affecter la stabilité de l'ARNm ou des stades plus précoces comme la transcription [70].

Un autre exemple d'éléments agissant en cis d'ARNm dans les axones sont les éléments courts riches en AU dans les ARNm codant pour Gap-43, Neuritin et Tau, qui sont tous reconnus par le RBP HuD [62,71,73]. Chacun de ces éléments agissant en cis riches en AU ciblés par HuD est capable de conduire la localisation de l'ARNm vers les axones [62,71,73]. Il a été démontré que deux domaines RRM de HuD se lient directement aux éléments agissant en cis dans l'ARNm, tandis que le troisième se lie à la queue poly(A) de l'ARNm, ce qui stabilise ce complexe mRNP [112]. HuD a des rôles connus dans la stabilité de l'ARNm [113], et il a été démontré qu'il stabilise neuritine ARNm dans le cerveau [71], soulevant la question de savoir si ces différences de localisation pourraient être en partie dues à l'augmentation de la durée de vie de l'ARNm dans les axones. Curieusement, l'affinité de liaison différentielle des éléments agissant en cis à HuD semble être un facteur clé pour la régulation dépendante de HuD du métabolisme de l'ARNm. écart43 L'ARNm a une plus grande affinité de liaison avec HuD que neuritine ARNm, entraînant une régulation dépendante de la compétition de la localisation de l'ARNm axonal [71]. Récemment, la cible d'ARN avec la plus grande affinité pour la liaison HuD dans les cultures de motoneurones en différenciation s'est avérée être un petit ARN non codant Y3 [114]. Y3 agit comme une «éponge moléculaire» pour séquestrer HuD des polysomes et supprimer la traduction de l'ARNm nécessaire à la différenciation neurale dans ce système [114]. Ces résultats suggèrent la complexité de la régulation de l'ARNm par la reconnaissance d'éléments agissant en cis de HuD, impliquant une interaction d'affinités de liaison différentielles entre les éléments cis (figure 2une). Il est intéressant de noter que différentes affinités de liaison aux éléments cis ont également été récemment suggérées pour agir comme un mécanisme pour réguler la quantité d'espèces d'ARNm transportées dans l'axone [79]. Ici, il a été démontré que la RBP APC (dont il a été démontré qu'elle régule la localisation de l'ARNm axonal [78]) se lie sélectivement aux séquences riches en G dans la 3'UTR de β2B-tubuline et -actine ARNm pour permettre leur trafic [79]. Dans les neurones corticaux et hippocampiques, -actine L'ARNm est en abondance supérieure ou égale à 10 fois plus que β2B-tubuline ARNm [115], mais β2B-tubuline L'ARNm a une affinité cinq fois plus élevée pour la liaison à l'APC [79]. Ces affinités de liaison différentielles ont donc été suggérées de manière intrigante pour agir comme un mécanisme garantissant que les ARNm moins abondants sont toujours transportés dans les axones (figure 2b). La localisation de l'ARNm axonal n'est cependant pas régulée par un type de RBP et l'élément agissant en cis correspondant. Fait intéressant, une étude récente a révélé qu'aucune interaction RBP n'est partagée par quatre éléments agissant en cis différents (appartenant à quatre ARNm différents) qui peuvent chacun conduire à la localisation de l'ARNm axonal dans les motoneurones [116]. Au lieu de cela, il a été découvert que des hnRNP particuliers lient un ou deux éléments agissant en cis différents, indiquant que différentes combinaisons de RBP régulent de manière coordonnée le transport d'ARNm axonal via différents signaux de localisation d'ARN dans les axones [116]. En conséquence, l'une des questions les plus passionnantes pour les études futures sera de mieux comprendre comment les différentes RBP fonctionnent ensemble avec les différences d'affinités de liaison aux éléments cis pour affiner les niveaux d'ARNm dans les axones.

Figure 2. Les éléments agissant en Cis régulent la localisation de l'ARNm dans les axones. (une) Les affinités de liaison différentielle aux éléments agissant en cis régulent la liaison de l'ARN par HuD. Dans les motoneurones, écart43 L'élément riche en AU de l'ARNm a une affinité de liaison plus élevée pour HuD que le neuritine élément riche en AU d'ARNm, qui régule ainsi neuritine liaison de l'ARNm par compétition. HuD augmenté et diminué écart43 Les niveaux d'ARNm permettent ensuite la localisation axonale dépendante de HuD de neuritine. (b) Affinité de liaison plus élevée de l'APC aux séquences riches en G dans β2B-tubuline L'ARNm 3'UTR a comparé des séquences riches en G dans le -actine Les ARNm 3'UTR sont proposés pour assurer le transport d'ARNm moins abondants.

4.2. Le paradoxe axone-dendrite

Bien que les dendrites et l'axone d'un neurone soient structurellement et fonctionnellement distincts, de nombreux éléments agissant en cis de l'ARNm axonal identifiés entraînent également paradoxalement la localisation de l'ARNm vers les dendrites. Cela soulève la question cruciale de savoir comment la spécificité de localisation subcellulaire est obtenue dans les neurones grâce au même élément agissant en cis. Un exemple bien connu est la région de code postal de -actine ARNm. En plus de son rôle dans la régulation de la localisation des ARNm axonaux, il cible également les ARNm des dendrites des neurones, ainsi que la pointe des fibroblastes [77,117,118]. L'élément agissant en cis du code postal dans -actine L'ARNm est reconnu par la RBP ZBP1 [77]. Localisation ZBP1-dépendante de -actine L'ARNm repose sur une « séquence de code postal » bipartite de 54 nucléotides dans la 3′UTR de -actine ARNm, et est nécessaire pour la localisation accrue de l'ARNm dans les cônes de croissance axonale en réponse à des signaux particuliers [35,38,119,120]. D'autres exemples incluent deux éléments agissant en cis dans le 3'UTR de calréticuline L'ARNm, qui détermine à la fois la localisation de l'ARNm dendritique et axonal dans les mêmes neurones corticaux [68]. De plus, de nombreux RBP qui régulent la localisation de l'ARNm axonal, comme ZBP1, FMRP, HuD et FUS, sont également localisés dans les dendrites et impliqués dans la régulation de la localisation de l'ARNm dendritique [118,121-123]. Les dendrites ont des fonctions différentes par rapport aux axones, répondent à des signaux différents et contiennent en plus des transcriptomes différents (où par exemple carte2 L'ARNm est enrichi en dendrites mais exclu des axones [27,124]). S'ils ont souvent les mêmes éléments agissant en cis, liés par les mêmes RBP, comment alors ces modèles de localisation d'ARNm sous-compartimentaux pourraient-ils être régulés différemment dans les neurones ? Une possibilité est que bon nombre des éléments agissant en cis identifiés et des RBP associés pourraient réguler une localisation cytoplasmique plus générale dans les neurites, tandis que des éléments agissant en cis et des RBP supplémentaires sont nécessaires pour le tri dans différents compartiments neuronaux. Par exemple, synapsine L'ARNm contient deux éléments agissant en cis : un dans le 5'UTR et un dans le 3'UTR [125]. Ici, le 3′UTR de synapsine L'ARNm est capable de conférer une localisation aux neurites distaux, mais seule une structure tige-boucle de 66 nucléotides dans le 5'UTR est capable de localiser l'ARNm à la synapse [72,125]. En effet, un concept similaire est également observé lors de Xénope et Drosophile développement du plasma germinatif. Ici, différents éléments agissant en cis ciblent les ARNm à différentes étapes du processus de localisation [126-129].

Alors que les signaux de ciblage spécifiques de l'ARNm axonal restent mal compris, dans le sens inverse de l'enquête, un élément agissant en cis a récemment été identifié pour maintenir l'ARNm hors des axones. Ici, Martínez et al. [82] ont utilisé une approche bioinformatique pour examiner les séquences associées au transcriptome axonal versus somatodendritique. Bien que les auteurs n'aient trouvé aucun motif de séquence associé au transcriptome axonal, un motif UGUAAAU a été découvert comme étant enrichi au sein du transcriptome somatodendritique. Lorsqu'il est inséré dans des transcrits normalement localisés axonale, ce motif a pu diminuer la localisation axonale, la RBP responsable a été identifiée comme étant Pumilio 2 [82]. À l'avenir, de nouvelles techniques, telles que le « CLIP de proximité », [130] pourraient nous aider à mieux comprendre comment les différences dans les interactions protéine-ARN conduisent à des modèles de localisation d'ARNm modifiés entre les axones, les dendrites et le soma.

5. Lumières, appareil photo, axone ! Démêler les mécanismes derrière le mouvement de l'ARNm dans les axones

Comprendre comment les ARNm sont trafiqués dans les axones résoudra une grande partie du puzzle en expliquant comment les modèles spécifiques de localisation des ARNm axonaux sont générés. Souvent, le déchiffrement de la façon dont les molécules d'ARNm se déplacent implique l'utilisation de méthodes d'imagerie en direct, dont les techniques et les avancées sont décrites dans l'encadré 1. Dans cette section, nous fournirons un aperçu général des mécanismes de transport de l'ARNm, avant d'approfondir ce qui est actuellement connu sur Transport d'ARNm dans les axones.

Encadré 1. Approches d'imagerie en direct pour étudier le transport des ARNm.

Comprendre le type de mouvement qui a lieu dans les cellules nécessite souvent des approches d'imagerie en direct pour visualiser directement le mouvement de l'ARNm. À cette fin, plusieurs méthodes ont été développées, chacune avec ses propres avantages et inconvénients.

Premièrement, on pourrait imager l'ARNm exogène en in vitro transcrivant l'ARNm d'intérêt à l'aide de fluorophores organiques conjugués à l'UTP et ensuite délivre cet ARNm synthétique marqué par fluorescence dans les cellules [131]. Le principal avantage de cette approche est la spécificité, le rapport signal sur bruit élevé et la rapidité de la conception expérimentale. Cependant, l'ARNm exogène peut être délivré dans le cytoplasme au-dessus des niveaux physiologiques et une localisation appropriée de l'ARNm implique souvent des événements de traitement nucléaire [132], ainsi l'ARNm exogène peut ne pas toujours imiter les mêmes méthodes de transport et de localisation que leurs homologues endogènes.Néanmoins, il a été démontré que la livraison d'ARNm exogène récapitule les modèles de localisation endogène dans plusieurs systèmes et constitue une approche particulièrement utile pour analyser les exigences de traitement des séquences et de l'ARNm pour le trafic et la localisation [133-135]. L'une des méthodes les plus populaires pour étudier le trafic d'ARNm endogène est le système MS2 [136,137] (ainsi que des variantes telles que le système PP7 [138]). L'approche MS2 consiste à modifier génétiquement votre ARNm d'intérêt pour coder plusieurs épingles à cheveux MS2, chacune étant reconnue et liée par deux MCP (protéines d'enveloppe MS2) fusionnées à une protéine fluorescente. Cette méthode a été prototypique pour l'imagerie des ARNm endogènes et a conduit à de nombreuses découvertes passionnantes. Cependant, des faux positifs peuvent provenir de la conjugaison non spécifique de protéines fluorescentes MCP [139] et de la formation de fragments de désintégration [140]. De nombreuses avancées du système MS2 ont été publiées (par exemple, l'augmentation du rapport signal/bruit [141] et la visualisation du cycle de vie [142]). Récemment, des modifications des systèmes CRISPR/Cas9/13 ont fourni une alternative intéressante à l'approche MS2, permettant le marquage de l'ARN endogène sans manipulation génétique fastidieuse, bien qu'avec un signal sur bruit plus faible [143,144]. De plus, les aptamères d'ARN fluorogènes fournissent une méthode d'imagerie d'ARNm vivant en insérant l'aptamère dans l'ARNm d'intérêt. Cette approche offre l'avantage d'un signal de fond plus faible et depuis le développement de l'aptamère d'ARN d'épinard qui présente une fluorescence ressemblant à la GFP [145], différents progrès ont été réalisés pour inclure une photostabilité et une luminosité accrues [146] ainsi qu'une fluorescence à différentes longueurs d'onde [147] . Enfin, une autre approche alternative consiste à utiliser des balises moléculaires [148,149]. Ici, chaque balise moléculaire est conçue pour contenir une région de sonde antisens qui se lie à l'ARNm endogène d'intérêt, ainsi qu'une région de tige riche en GC qui place un fluorophore et un extincteur à proximité. La liaison de la région de la sonde antisens à l'ARNm modifie la conformation de la balise moléculaire de sorte que le fluorophore est séparé de l'extincteur, marquant ainsi l'ARNm endogène d'intérêt par fluorescence. Bien que cette approche soit expérimentalement simple et permette la visualisation de l'ARNm endogène sans modification génétique, un signal non spécifique dans le noyau ainsi qu'un marquage de fond non spécifique nécessitent l'utilisation de bons contrôles.

À notre connaissance, seuls des balises moléculaires et des ARNm exogènes fluorescents ont été utilisés pour étudier le transport des ARNm dans les axones [37,93,107]. Nous prévoyons cependant l'utilisation de différentes techniques pour étudier le transport de l'ARNm axonal à l'avenir, en plus de nouvelles techniques d'analyse de données telles que l'analyse automatisée du kymographe par apprentissage automatique [150].

5.1. Une brève introduction au transport de l'ARNm dans les cellules

En général, il existe trois mécanismes principaux par lesquels les ARNm se déplacent dans les cellules : le transport dirigé, la diffusion ou un mélange des deux [151]. La diffusion décrit le mouvement brownien des molécules dû aux fluctuations de l'énergie thermique, créant une marche aléatoire dans laquelle la molécule a une propension égale à se déplacer dans n'importe quelle direction [152]. Sans autres mécanismes pour diriger la localisation, la diffusion finira par créer une propagation uniforme des molécules à travers le cytoplasme. Cette distribution est observée pour plusieurs ARNm non localisés [153], bien que même les ARNm uniformément distribués semblent subir certaines périodes de transport dirigé [154]. La localisation asymétrique peut être obtenue par diffusion à travers des facteurs externes qui biaisent le mouvement aléatoire dans une direction et/ou ancrent localement les ARNm diffusants. Un exemple pour les deux mécanismes est illustré par Nanos de drosophile ARNm localisé à la partie postérieure de l'ovocyte via un «mécanisme de diffusion et de piégeage» impliquant une combinaison de flux ooplasmique et d'ancrage local au pôle postérieur [155,156].

L'un des mécanismes les plus courants pour obtenir une localisation ciblée de l'ARNm est peut-être le transport dirigé par les protéines motrices. Le transport dirigé implique des protéines motrices qui utilisent l'hydrolyse de l'ATP pour déclencher des changements de conformation qui génèrent un mouvement processif le long des pistes de microtubules ou de microfilaments d'actine. La superfamille des protéines motrices de la myosine s'associe aux filaments d'actine, tandis que les familles des protéines motrices kinésine et dynéine se déplacent le long des microtubules dans des directions opposées (kinésines vers les extrémités positives des polymères de microtubules et dynéine vers les extrémités négatives) [157]. Étant donné que l'organisation du cytosquelette polarisé est souvent une caractéristique commune parmi les cellules polarisées [158], l'association préférentielle avec des protéines motrices spécifiques favorise le transport dirigé vers des régions cellulaires particulières. De nombreux exemples de transport dirigé par des protéines motrices existent pour la localisation d'ARNm. Par exemple, dans la levure bourgeonnante, le moteur à myosine de type V est nécessaire pour ASH1 La localisation de l'ARNm [159,160] et les actions concertées des protéines motrices Kinesin1 et Kinesin2 associées aux microtubules sont nécessaires pour Vg1 ARNm ciblant le cortex végétal de Xénope ovocytes [161]. Dans certains cas, les ARNm peuvent se lier à des moteurs opposés, entraînant un mouvement bidirectionnel [162]. Ici, la localisation asymétrique est obtenue en polarisant le mouvement dans une direction, par exemple en augmentant le nombre de copies d'une protéine motrice spécifique. Par exemple, il a été démontré directement que les éléments agissant en cis de l'ARNm modifient le nombre de copies de dynéine pour entraîner un mouvement bidirectionnel biaisé et la localisation apicale du Drosophile fs(1)K10 Transcription d'ARNm [163]. De plus, le transport dirigé bidirectionnel peut être couplé à un ancrage local. Cela a été observé pour le piégeage local de -actine ARNm au niveau des synapses activées dans les dendrites [164]. Compte tenu de ces méthodes de transport d'ARNm désormais bien établies dans différents types de cellules et systèmes modèles, comment les ARNm sont-ils transportés dans l'axone des neurones ?

5.2. Transport d'ARNm induit par les microtubules dans les axones

La simple longueur des axones neuronaux suggère logiquement que le transport dirigé est important. En effet, l'imagerie en direct a montré que -actine L'ARNm présente un mouvement dirigé dans les axones ainsi que des périodes de diffusion, le composant de transport dirigé étant essentiel pour la livraison de l'ARNm à la pointe de l'axone [107]. Depuis la découverte que l'ARNm ne s'accumule pas dans les terminaisons nerveuses suite à la perturbation des microtubules par la colchicine [165], de nombreuses études ont démontré que les changements induits par la base et les stimuli dans la localisation de l'ARNm axonal reposent sur un cytosquelette de microtubule intact [31,35,166,167]. En outre, la visualisation directe d'exogènes marqués par fluorescence -actine Le mouvement de l'ARNm a récemment révélé que l'intégrité du cytosquelette des microtubules est essentielle pour maintenir le transport dirigé [37]. En tant que tel, il est clair que le transport dirigé par les microtubules est important pour localiser l'ARNm à la pointe de l'axone et divers mécanismes moléculaires sous-jacents ont maintenant été proposés, conduisant à un modèle hypothétique généralisé pour le trafic d'ARNm dans les axones (figure 3).

Figure 3. Modèle de localisation d'ARNm dans les axones. (i) Formation de mRNP : les ARNm sont initialement reconnus par les RBP dans le noyau de manière co- et post-transcriptionnelle. (ii) les ARNm sont transportés dans le cytoplasme où se produit le remodelage du mRNP. (iii) Les cargaisons somatodendritiques et axonales sont triées au niveau du segment initial de l'axone (AIS) : (une) les protéines membranaires liées au cytosquelette d'actine forment une barrière de diffusion au niveau de l'AIS, inhibant la libre diffusion des molécules. (b) Les protéines somatodendritiques n'entrent pas dans la tige axonale mais sont à la place immobilisées par la myosine V au niveau des plaques d'actine F et retournent dans le soma par le transport entraîné par la protéine motrice de la dynéine. (c) Les protéines destinées aux axones sont associées aux protéines motrices de la kinésine, qui sont censées reconnaître les signaux sur les microtubules et sont acheminées vers l'axone (un tel mécanisme est probablement également impliqué dans la localisation axonale par rapport à la localisation dendritique des ARNm dans les neurones). (iv,v) les ARNm associés aux RBP se déplacent le long des pistes cytosquelettiques des microtubules polarisés. Les mRNP sont transportés par des protéines motrices via (iv) une protéine adaptatrice de cargaison ou (v) en faisant de l'auto-stop sur des organites membraneuses. (vi) les ARNm se dissocient des RBP au niveau des sites de traduction locale.

Différentes protéines motrices ont des propriétés cinétiques et des préférences de polarité différentes qui à leur tour peuvent générer des distributions cellulaires uniques pour différentes cargaisons [168]. Quelles sont les protéines motrices qui transportent spécifiquement les ARNm dans les axones ? Dans les axones, l'orientation des microtubules est fortement polarisée. Plus de 90 % des microtubules sont orientés vers l'extérieur, avec des extrémités en croissance pointant vers la pointe de l'axone [169]. De plus, différentes protéines motrices associées aux microtubules entraînent un mouvement dirigé vers les extrémités plus ou moins (kinésine et dynéine respectivement vers les extrémités plus et moins) [157]. Ainsi, le transport axonal antérograde piloté par les microtubules nécessite la famille des protéines motrices de la kinésine, tandis que le transport rétrograde des microtubules est piloté par la dynéine cytoplasmique. Étant donné que le mouvement de l'ARNm dans les axones est bidirectionnel [37,93,107,170,171], il s'ensuit que les deux devraient jouer un rôle. En effet, il a été démontré que le transport bidirectionnel d'autres cargaisons axonales impliquait l'association simultanée de moteurs opposés à la kinésine et à la dynéine qui régulent de manière coopérative la processivité [172]. Alors que la dynéine cytoplasmique est le principal moteur de transport des charges motrices des microtubules rétrogrades dans les axones, plusieurs protéines motrices de la kinésine effectuent un transport antérograde axonal. 173]. Il a été démontré que différentes kinésines possèdent des propriétés cinétiques différentes et transportent des cargaisons distinctes, ainsi que, dans certains cas, transportent en coopération la même cargaison [169, 174]. Ce n'est que récemment que des protéines motrices spécifiques de la kinésine ont été associées au transport de l'ARNm dans les axones. Il a été démontré que le transport axonal de l'ARNm de l'APC dépend de la kinésine-1 et de la kinésine-2 [175] et du transport dépendant de l'APC de -actine et β2B-tubuline Il a été récemment démontré que les ARNm impliquaient l'APC complexée avec la kinésine-2, via la protéine adaptatrice de cargaison KAP3 au sein de complexes reconstitués in vitro [79]. Bien qu'il soit important de déterminer si le transport d'APC entraîné par la kinésine-2 régule également le trafic d'ARNm au sein des axones neuronaux eux-mêmes, ces données soutiennent fortement un rôle pour la kinésine-2 dans le transport d'ARNm axonal par APC. De plus, que les interactions avec la kinésine-1 et la kinésine-2 régulent la localisation de la RBP APC aux extrémités des axones [175], et que les axonales -actine Le transport de l'ARNm présente des vitesses multimodales [107], ce qui indique que plusieurs moteurs et/ou protéines régulatrices pourraient être en jeu. Dans une autre étude, Fukuda et al. [176] ont fourni des preuves directes de kinésines particulières entraînant le transport d'ARNm axonal par une autre RBP. Ici, les auteurs ont découvert avec enthousiasme que la RBP SFPQ interagit avec le membre de la famille de la kinésine-1 à chaîne lourde KIF5A via l'adaptateur KLC1. Le fait que ces deux études aient identifié différents membres de la famille des kinésines impliqués dans le transport de différentes RBP localisées axonale soulève la question fascinante de savoir comment les RBP et leurs interactomes d'ARNm associés pourraient s'associer différemment à différentes protéines motrices pour réguler de manière spatio-temporelle la localisation de l'ARNm axonal. Par exemple, différentes RBP présentent-elles des cinétiques distinctes dans les axones qui pourraient indiquer des mécanismes de transport différents ? De plus, différentes protéines motrices jouent-elles des rôles distincts dans le transport du même ARNm en fonction du type de neurone et/ou du stade de développement ?

5.3. Un rôle pour l'actine dans la localisation des ARNm axonaux ?

Bien que de nombreuses preuves suggèrent que les microtubules sont importants dans le trafic d'ARNm axonal, la coordination avec les moteurs associés au cytosquelette d'actine a également été impliquée. Ici, les augmentations stimulées par les signaux de la localisation de l'ARNm axonal sont légèrement affectées par la rupture du filament d'actine [31]. De même, dans des conditions basales, la dépolymérisation de l'actine entraîne l'incapacité de l'ARNm BC1 micro-injecté à se concentrer dans les domaines axonaux corticaux, ce qui suggère que le transport moteur entraîné par la myosine pourrait jouer un rôle dans le transport de l'ARNm axonal à courte distance [166]. En revanche, des travaux récents ont montré que les filaments d'actine ne sont pas nécessaires pour les changements induits par les signaux exogènes. -actine ARNm aux domaines périphériques des cônes de croissance axonale RGC [37], mais semble jouer un rôle dans l'ancrage endogène -actine dans les mêmes axones [107]. Le cytosquelette d'actine est également fondamental pour le tri des cargaisons axonales. Le tri des cargaisons dans les axones fait intervenir le segment initial de l'axone (AIS) qui empêche l'entrée des cargaisons somatodendritiques (figure 3). Cela se produit d'abord en ancrant une foule de protéines membranaires pour fournir une barrière de diffusion [177]. Deuxièmement, par des plaques d'actine au sein de la butte axonale qui immobilisent la cargaison somatodendritique par association de myosine V avec des motifs particuliers sur les protéines somatodendritiques [178]. Troisièmement, par l'association de la cargaison axonale avec des protéines motrices particulières associées aux microtubules qui dirigent le trafic axonal en raison de l'orientation des microtubules polarisés dans les axones [179]. Il est donc probable que la localisation de l'ARNm axonal pourrait également impliquer un mécanisme de tri dans l'AIS déclenché par des éléments agissant en cis (encore non identifiés) et des RBP. À l'appui de cela, la dépolymérisation du filament d'actine et l'inhibition de la myosine Va conduisent à la localisation axonale de la cargaison normalement somatodendritique carte2 ARNm et Staufen 1 RBP [180].

5.4. S'y rendre en organelle en auto-stop dans les axones

Des données récentes suggèrent qu'un certain nombre de mRNPs peuvent voyager le long du cytosquelette en faisant du stop sur des organites intracellulaires dans les axones (figure 3). Par exemple, les granules mRNP (probablement assemblés par LLPS) se sont avérés co-transportés avec les lysosomes dans les axones corticaux [181]. Ici, similaire aux observations d'une protéine adaptatrice de liaison aux lipides permettant le recrutement de RBP et d'ARNm sur les endosomes dans les hyphes fongiques [182], la protéine annexine ANXA11 s'est avérée coupler les granules d'ARN aux compartiments lysosomal [181]. ANXA11 possède plusieurs caractéristiques spécifiques qui permettent cette fonction, notamment un domaine de type prion qui facilite son association avec les granules mRNP et un domaine de liaison aux lipides dépendant du Ca 2+ qui régule son interaction avec les lysosomes. Bien qu'intriguant, la fonction exacte de ce type de transport dans la régulation du transcriptome axonal n'est pas encore claire, mais le fait qu'une association entre une partie des mRNP et des compartiments endosomaux a été rapportée dans Xénope Les axones RGC [170] soutiennent un rôle potentiel plus large pour le trafic membranaire dans la localisation de l'ARNm axonal. À la fois Xénope les axones et les hyphes fongiques, les granules d'ARN associés aux endosomes présentaient un mouvement bidirectionnel et se sont avérés s'associer et se dissocier des compartiments endosomaux, une caractéristique qui pourrait assurer la bonne distribution de transcrits spécifiques [170,183]. Les preuves dans les deux systèmes pointent également vers l'idée que certains ARNm sont traduits sur les endosomes [170,183,184], ajoutant un rôle complémentaire pour les endosomes en tant que sites spécifiques de synthèse protéique. Cette double fonction est également étayée par une étude récente montrant la colocalisation entre les endosomes précoces et les ARNm spécifiques dans une lignée cellulaire HeLa, une association reposant sur des ribosomes intacts pour une proportion importante d'ARNm, indiquant que ces ARNm se localisent dans les endosomes de manière dépendante de la traduction. 185]. Dans ce système, la distribution spatiale de transcrits spécifiques s'est avérée altérée lors de la manipulation du trafic précoce des endosomes, suggérant ainsi la co-transport des endosomes et des ARNm. Comme d'autres organites présents dans les axones (par exemple les mitochondries, le réticulum endoplasmique, les peroxysomes) se sont également avérés héberger des ARNm sur leur membrane [171,186-188], ces résultats ouvrent la possibilité que l'auto-stop sur les membranes pourrait être un processus régulateur important dans le trafic d'ARNm axonal .

5.5. Régulation de la localisation de l'ARNm axonal par dégradation

Enfin, bien qu'il ne s'agisse pas d'un mécanisme de transport, la dégradation de l'ARNm s'est avérée être un moyen important par lequel les modèles de localisation de l'ARNm sont générés pour des ARNm et des types cellulaires particuliers. Un exemple classique est la localisation postérieure de hsp83 ARNm (codant une protéine de choc thermique) dans le Drosophile embryon généré par une protection sélective contre la dégradation au pôle postérieur de l'embryon qui est régulée par des éléments agissant en cis dans hsp83 3′UTR ainsi que des éléments agissant en cis dans le cadre de lecture ouvert générant une déstabilisation accrue dans le reste du cytoplasme [189–192]. La désintégration non-sens (NMD) est une voie de dégradation, qui garantit généralement que les ARNm mal traduits (portant des codons de terminaison prématurée) sont dégradés [193]. Dans les axones des neurones commissuraux, cette méthode de dégradation est utilisée pour réguler Robot3.2 taux d'ARNm (codant pour un récepteur de guidage axonal) après Robot3.2 la translation est déréprimée au niveau du plancher [194]. En plus des axones commissuraux, les cônes de croissance axonaux de différents types de neurones (ganglions de la racine dorsale et neurones de l'hippocampe) sont également enrichis de composants de la machinerie NMD, suggérant que la régulation locale de la dégradation de l'ARNm dans le cône de croissance peut être une méthode courante pour réguler l'ARNm localisation et translation à l'extrémité de l'axone [194]. Parce que NMD cible des caractéristiques de transcription particulières (Robot3.2 par exemple a un intron retenu [194]) la dégradation axonale de la NMD est susceptible de réguler sélectivement un sous-ensemble de transcrits d'ARNm. A l'autre bout du tableau, des travaux récents suggèrent que certains ARNm sont protégés de la dégradation dans les axones [195]. Tiens, Nikolaou et al. [195] ont révélé que la principale protéine du spliceosome SNRNP70 s'associe aux ARNm dans les axones et protège certains transcrits de la dégradation médiée par la NMD par le biais d'un épissage alternatif [195]. Comment la dégradation interagit avec les mécanismes de trafic d'ARNm pour réguler spatio-temporellement la localisation de l'ARNm dans les axones sera une question passionnante pour les futures études qui seront rendues possibles grâce à des méthodes permettant de visualiser la dégradation de l'ARNm telles que TREAT [196].

6. Quand les mécanismes de localisation de l'ARNm axonal tournent mal

Les défauts de localisation de l'ARNm axonal ont été associés à un nombre croissant de troubles neurologiques affectant différentes zones du cerveau. Ces troubles liés à une localisation perturbée de l'ARNm axonal sont résumés dans le tableau 2 et développés ci-dessous.

Tableau 2. Troubles neurologiques liés à une localisation altérée de l'ARNm axonal.

6.1. Troubles neurodéveloppementaux

Bien que l'importance fonctionnelle de la traduction de l'ARNm axonal ait été principalement démontrée dans les neurones en développement, seul un nombre restreint de troubles du développement ont été liés à une modification du transport de l'ARNm. L'un d'eux est le syndrome de l'X fragile (FXS), une maladie liée à l'X causée par la perte de la RBP FMRP [201].Il a été montré que FMRP a la capacité de s'associer à un grand nombre d'ARNm [202, 203], et plusieurs mécanismes sous-jacents à son rôle dans le contrôle de la traduction de l'ARNm ont été décrits [204-206]. Cependant, on en sait moins sur la fonction de FMRP dans le trafic d'ARNm. La FMRP s'est avérée présente dans le développement des axones distaux [207] et matures [208], et la perte de sa fonction a été associée à des défauts de la dynamique des cônes de croissance et de la croissance des axones [207, 209]. Dans les axones DRG de souris, il a été démontré que FMRP s'associe à map1b et calme1 ARNm, et son appauvrissement s'est avéré altérer le ciblage de l'ARNm axonal [197], soutenant un rôle de FMRP dans la localisation de l'ARNm axonal (bien qu'un rôle qui a été suggéré comme étant plus compliqué par d'autres travaux [81]). Dans une étude récente, le fractionnement subcellulaire et le séquençage à haut débit ont été appliqués dans une lignée tumorale neuronale de souris (CAD) pour identifier les transcrits localisés de manière différentielle dans les somata et les neurites en l'absence de FMRP [210]. Les auteurs ont trouvé un grand nombre d'ARNm appauvris en neurites en l'absence de FMRP, un résultat qu'ils ont confirmé en utilisant des motoneurones dérivés d'iPSC de patients FXS. Ils ont également démontré que FMRP régule le transport des transcrits contenant des motifs G-quadruplex dans leur 3'UTR via la liaison à son domaine RGG. Curieusement, la fonction de FMRP dans la localisation de l'ARNm est apparue dissociée de son rôle dans la régulation traductionnelle, qui est potentiellement réalisée par différents modes de reconnaissance de cible. Bien qu'il y ait eu des éclaircissements sur la fonction physiologique de la FMRP et les défauts causés par son épuisement, les conséquences fonctionnelles directes des ARNm mal localisés dans les axones dans la pathogenèse du FXS doivent encore être déterminées.

6.2. Troubles neurodégénératifs

Ces dernières années, le lien potentiel entre la localisation altérée de l'ARNm axonal et les troubles neurodégénératifs a fait l'objet d'une attention croissante. C'est notamment le cas de la sclérose latérale amyotrophique (SLA), une maladie multigénique résultant de mutations dans divers gènes dont la superoxyde dismutase (SOD1), la TDP43 ou la protéine FUS [211]. L'expression de formes mutées de FUS liées à la SLA diminue la synthèse des protéines axonales dans Xénope Axones RGC [212]. De plus, l'expression de mutants FUS à des concentrations proches des niveaux physiologiques de FUS endogène, conduit à l'accumulation de la protéine mutante le long des axones des neurones hippocampiques in vitro et nerfs sciatiques in vivo, et est suffisant pour provoquer une réduction de la synthèse des protéines intra-axonales, entraînant à son tour des troubles moteurs et cognitifs [213]. Bien qu'un lien direct avec le transport d'ARNm axonal altéré soit manquant, il a récemment été montré que, lors de la mutation de FUS et de la formation d'inclusions FUS-positives, le transport dépendant de l'APC des ARNm vers les protubérances cellulaires est perturbé, à la fois dans les neurones et non neuronaux. types cellulaires [214], soutenant un rôle direct dans le trafic d'ARNm dans les compartiments neuronaux.

Comme décrit dans une section précédente de cette revue, TDP43 est un RBP qui participe à l'assemblage des mRNP [215]. Alors que l'accumulation de TDP43 est observée dans la dégénérescence lobaire frontotemporale (FTLD) [216], il a été démontré que son rôle dans le trafic d'ARNm axonal est altéré par plusieurs mutations de la protéine causant la SLA. En particulier, le trafic de TDP43 le long des axones corticaux a été trouvé altéré par des mutations dans son domaine C-terminal de type prion, probablement en affectant la séparation de phases et la formation de mRNP [93]. Ces mutations causant la SLA compromettent également le trafic axonal du neurofilament-L (Nefl) ARNm in vivo dans Drosophile, et dans les neurones corticaux de souris [93], soutenant un lien direct entre les mutations de TDP43 associées à la SLA et les défauts du transport axonal de l'ARNm. Depuis lors, des centaines d'ARNm se sont avérés différentiellement présents dans les axones isolés des motoneurones murins TDP43 A315T [30]. Fait intéressant, la même étude a comparé ces changements aux altérations induites par la mutation SOD G93A associée à la SLA. Bien que les mutations de ces deux gènes entraînent des conséquences fonctionnelles directes distinctes, ils ont trouvé des niveaux axonaux altérés communs de transcrits spécifiques, soutenant l'hypothèse que la SLA pourrait être initiée par une localisation défectueuse de l'ARNm dans les axones de types de neurones particuliers.

Fait intéressant, des observations similaires ont été rapportées dans des neurones porteurs de mutations associées à l'amyotrophie spinale (SMA). La SMA est une maladie neuromusculaire caractérisée par la dégénérescence des motoneurones spinaux et causée par des niveaux réduits de RBP SMN en raison de délétions ou, moins fréquemment, de mutations du gène SMN1 [217, 218]. Plusieurs observations ont conduit à l'hypothèse que la protéine SMN pourrait être importante pour localiser un sous-ensemble d'ARNm importants à la jonction neuromusculaire (JNM). Premièrement, le SMN est transporté dans les axones des motoneurones et le knockdown de la protéine entraîne une réduction à la fois des niveaux d'ARNm poly(A) et de la protéine HuD présentes dans les axones [80]. Deuxièmement, l'analyse des changements correspondants dans le transcriptome axonal après le knockdown du SMN a révélé une diminution des niveaux d'ARNm codant pour des protéines jouant un rôle dans la croissance axonale et la régulation synaptique [200], soutenant un rôle important dans la fonction présynaptique. Fait intéressant, par rapport aux changements observés après la surexpression de SOD G93A [199], 16 gènes ont été identifiés comme étant couramment dérégulés, ce qui suggère que certains changements associés à la pathologie dans la localisation de l'ARNm axonal existent entre différentes maladies neurodégénératives.

Bien que moins étudiées, des pathologies affectant le système nerveux central ont également été trouvées associées à des répertoires d'ARNm axonaux altérés. La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative affectant diverses zones cérébrales et principalement caractérisée par l'accumulation de -amyloïde (A??) dans les neurites en particulier les oligomères solubles de A??1–42 [219-221]. Application d'un??1–42 aux axones distaux des neurones hippocampiques embryonnaires de rat induisait des changements dans le transcriptome local, y compris les ARNm liés à A?? la production et le métabolisme, comme application, apoE et clu, ou impliqué dans une pathologie tau comme fermt2 [198]. Les auteurs se sont en outre concentrés sur atf4 ARNm qui a été trouvé recruté dans l'axone lors du traitement avec A??1–42, où sa traduction intra-axonale a été suggérée pour participer à la neurodégénérescence liée à la MA.

Un nombre croissant d'observations pointe désormais vers l'hypothèse que des altérations du transcriptome axonal pourraient participer à la physiopathologie de diverses maladies, y compris des troubles qui ne sont pas directement associés à des mutations dans les gènes codant pour des régulateurs bien connus du traitement de l'ARN. Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour démontrer clairement le potentiel thérapeutique de contrer les défauts de la mauvaise localisation de l'ARNm axonal, un exemple intéressant soutenant cette possibilité a été récemment rapporté. Ici, des mutations dans le gène codant pour la protéine motrice KIF5A ont été liées à la maladie de Charcot-Marie-Tooth de type 2D (CMT2D), à la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et à la paraplégie spastique héréditaire (HSP) [222-224]. KIF5A s'est avéré important pour la localisation axonale des mRNP SFPQ dans les axones DRG [176], une RBP qui a déjà été montrée pour contrôler un régulon de transcrits codant pour des facteurs de survie, y compris la régulation du trafic axonal de l'ARNm codant pour Bclw [103]. Remarquablement, les auteurs ont également découvert que la dégénérescence axonale induite par la mutation CMT2D KIF5A peut être sauvée en introduisant un peptide qui imite la fonction de la protéine Bclw synthétisée axonale [176]. Cette approche pourrait potentiellement être étendue à d'autres maladies présentant des défauts de transport et/ou de traduction de l'ARNm axonal. De plus, le fait que des ARNm ont été trouvés associés à divers organites, y compris des endosomes et des lysosomes dans les axones [170,181], ouvre également de nouvelles perspectives thérapeutiques pour les maladies dans lesquelles le transport des organites a été perturbé.

7. Conclusion

Il est maintenant établi sans ambiguïté que la traduction de l'ARNm dans les axones est importante pour le développement, la fonction et la survie des neurones, mais nos connaissances actuelles sur la façon dont les ARNm spécifiques se localisent dans le compartiment axonal restent limitées. Comme illustré dans cette revue, certaines avancées ont été réalisées dans le domaine, notamment l'identification d'éléments clés agissant en cis et de facteurs agissant en trans impliqués dans le ciblage et le transport de l'ARNm axonal. Cependant, de nombreuses questions importantes restent ouvertes. Par exemple, il sera important d'augmenter notre répertoire d'éléments de séquence et de RBP associés, impliqués dans le ciblage « positif » ou « négatif » d'ARNm spécifiques vers l'axone. En ce qui concerne les séquences agissant en cis, une meilleure compréhension du rôle des structures d'ARNm secondaires et tertiaires sera cruciale à la fois pour identifier de nouveaux éléments agissant en cis ainsi que pour mieux comprendre les mécanismes par lesquels les séquences déjà identifiées agissent. De plus, il sera également important de comprendre comment les actions coopératives de différents RBP et composants de la machinerie motrice affinent les modèles de localisation de plusieurs ARNm différents dans les axones. Enfin, des travaux futurs seront nécessaires pour explorer la pertinence fonctionnelle de la localisation de l'ARNm axonal in vivo. Par exemple, comment la dynamique du transport de l'ARNm axonal est-elle affectée par l'activité synaptique ? Ce processus dépend-il de l'expérience ? Quelles seraient les conséquences d'une altération du trafic axonal de sous-ensembles particuliers d'ARNm sur la fonction cérébrale ? Alors qu'un lien étroit entre les maladies neurologiques et la localisation défectueuse de l'ARNm axonal est en train d'émerger, la réponse à ces questions pourrait être essentielle pour mieux comprendre les mécanismes physiopathologiques derrière ces troubles.


Contenu

Avant le développement de la lampe de sécurité pour une utilisation dans les mines de charbon, les peaux de poisson séchées étaient utilisées en Grande-Bretagne et en Europe comme faible source de lumière. [2] Cette forme expérimentale d'éclairage évitait la nécessité d'utiliser des bougies qui risquaient de provoquer des explosions de grisou. [3] Une autre source sûre d'éclairage dans les mines était les bouteilles contenant des lucioles. [4] En 1920, le zoologiste américain E. Newton Harvey publie une monographie, La nature de la lumière animale, résumant les premiers travaux sur la bioluminescence. Harvey note qu'Aristote mentionne la lumière produite par les poissons et la chair morts, et qu'Aristote et Pline l'Ancien (dans son Histoire naturelle) mentionnent la lumière du bois humide. Il rapporte également que Robert Boyle a expérimenté ces sources lumineuses et a montré qu'elles et le ver luisant ont besoin d'air pour produire de la lumière. Harvey note qu'en 1753, J. Baker a identifié le flagellé Noctiluca "comme un animal lumineux" "juste visible à l'œil nu", [5] et en 1854 Johann Florian Heller (1813-1871) a identifié des brins (hyphes) de champignons comme source de lumière dans le bois mort. [6]

Tuckey, dans son posthume 1818 Récit de l'expédition au Zaïre, décrit la capture des animaux responsables de la luminescence. Il mentionne des pellucides, des crustacés (auxquels il attribue la blancheur laiteuse de l'eau), et des cancers (crevettes et crabes). Sous le microscope, il a décrit la "propriété lumineuse" d'être dans le cerveau, ressemblant à "une améthyste des plus brillantes de la taille d'une grosse tête d'épingle". [7]

Charles Darwin a remarqué la bioluminescence dans la mer, la décrivant dans son Journal:

En naviguant sous ces latitudes par une nuit très noire, la mer offrait un spectacle merveilleux et des plus beaux. Il y avait une brise fraîche, et chaque partie de la surface, qui pendant la journée est vue comme de l'écume, brillait maintenant d'une pâle lumière. Le navire poussait devant sa proue deux flots de phosphore liquide, et dans son sillage, il était suivi d'un train laiteux. Aussi loin que l'œil atteignait, la crête de chaque vague était brillante, et le ciel au-dessus de l'horizon, à cause de l'éclat réfléchi de ces flammes livides, n'était pas aussi complètement obscur que sur le reste des cieux. [8]

Darwin a également observé une " méduse du genre Dianaea " lumineuse [8] et a noté que " lorsque les vagues scintillent d'étincelles vertes brillantes, je crois que c'est généralement dû à de minuscules crustacés. Mais il ne fait aucun doute que de très nombreux autres les animaux pélagiques, lorsqu'ils sont vivants, sont phosphorescents." [8] Il a deviné que "une condition électrique perturbée de l'atmosphère" [8] était probablement responsable. Daniel Pauly commente que Darwin « a eu de la chance avec la plupart de ses suppositions, mais pas ici », [9] notant que la biochimie était trop peu connue et que l'évolution complexe des animaux marins impliqués « aurait été trop pour le confort ». [9]

La bioluminescence a attiré l'attention de la marine des États-Unis pendant la guerre froide, car les sous-marins dans certaines eaux peuvent créer un sillage suffisamment brillant pour être détecté qu'un sous-marin allemand a été coulé pendant la Première Guerre mondiale, ayant été détecté de cette manière. La marine était intéressée à prédire quand une telle détection serait possible, et donc à guider ses propres sous-marins pour éviter la détection. [11]

Parmi les anecdotes de navigation par bioluminescence, l'une racontée par l'astronaute d'Apollo 13 Jim Lovell, qui en tant que pilote de marine avait retrouvé le chemin de son porte-avions USS Shangri-La lorsque ses systèmes de navigation sont tombés en panne. En éteignant les lumières de sa cabine, il a vu le sillage rougeoyant du navire et a pu s'y rendre et atterrir en toute sécurité. [12]

Le pharmacologue français Raphaël Dubois a mené des travaux sur la bioluminescence à la fin du XIXe siècle. Il a étudié les coléoptères (Pyrophore) et le mollusque bivalve marin Pholas dactyle. Il a réfuté la vieille idée que la bioluminescence provenait du phosphore [13] [a] et a démontré que le processus était lié à l'oxydation d'un composé spécifique, qu'il a nommé luciférine, par une enzyme. [15] Il a envoyé des siphons à Harvey du mollusque conservé dans le sucre. Harvey s'était intéressé à la bioluminescence après avoir visité le Pacifique Sud et le Japon et y avoir observé des organismes phosphorescents. Il a étudié le phénomène pendant de nombreuses années. Ses recherches visaient à démontrer que la luciférine et les enzymes qui agissent dessus pour produire de la lumière étaient interchangeables entre les espèces, montrant que tous les organismes bioluminescents avaient un ancêtre commun. Cependant, il a trouvé cette hypothèse fausse, différents organismes ayant des différences majeures dans la composition de leurs protéines productrices de lumière. Il passa les 30 années suivantes à purifier et à étudier les composants, mais il incomba au jeune chimiste japonais Osamu Shimomura d'être le premier à obtenir de la luciférine cristalline. Il a utilisé la luciole des mers Vargula hilgendorfii, mais il a fallu encore dix ans avant qu'il découvre la structure du produit chimique et publie son article de 1957 Cypridina Luciférine cristalline. [16] Shimomura, Martin Chalfie et Roger Y. Tsien ont remporté le prix Nobel de chimie 2008 pour leur découverte et leur développement en 1961 de la protéine fluorescente verte comme outil de recherche biologique. [17]

Harvey a écrit un compte rendu historique détaillé sur toutes les formes de luminescence en 1957. [18] Un livre mis à jour sur la bioluminescence couvrant également le vingtième et le début du vingt-et-unième siècle a été publié récemment. [19] [20]

En 1932, E. N. Harvey fut parmi les premiers à proposer comment la bioluminescence aurait pu évoluer. [21] Dans ce premier article, il a suggéré que la proto-bioluminescence pourrait provenir de protéines de la chaîne respiratoire qui contiennent des groupes fluorescents. Cette hypothèse a depuis été réfutée, mais elle a suscité un intérêt considérable pour les origines du phénomène. Aujourd'hui, les deux hypothèses dominantes (toutes deux concernant la bioluminescence marine) sont celles avancées par Howard Seliger en 1993 et ​​Rees et al. en 1998. [22] [23]

La théorie de Seliger identifie les enzymes luciférase comme le catalyseur de l'évolution des systèmes bioluminescents. Cela suggère que le but initial des luciférases était d'être des oxygénases à fonction mixte. Au fur et à mesure que les premiers ancêtres de nombreuses espèces se sont déplacés vers des eaux plus profondes et plus sombres, la sélection naturelle a favorisé le développement d'une sensibilité oculaire accrue et de signaux visuels améliorés. [24] Si la sélection devait favoriser une mutation de l'enzyme oxygénase nécessaire à la dégradation des molécules pigmentaires (molécules souvent associées à des taches utilisées pour attirer un partenaire ou distraire un prédateur), elle aurait pu éventuellement entraîner une luminescence externe dans les tissus. [22]

Rees et al. utiliser les preuves recueillies auprès de la luciférine marine coelenterazine pour suggérer que la sélection agissant sur les luciférines peut avoir surgi des pressions pour protéger les organismes océaniques contre les espèces réactives de l'oxygène potentiellement délétères (par exemple H2O2 et ô2 − ). Le passage fonctionnel de l'antioxydation à la bioluminescence s'est probablement produit lorsque la force de sélection pour la défense antioxydation diminuait à mesure que les premières espèces se déplaçaient plus loin dans la colonne d'eau. À de plus grandes profondeurs, l'exposition aux ROS est significativement plus faible, tout comme la production endogène de ROS par métabolisme. [23]

Bien que populaire au début, la théorie de Seliger a été contestée, en particulier sur les preuves biochimiques et génétiques que Rees examine. Ce qui reste clair, cependant, c'est que la bioluminescence a évolué indépendamment au moins 40 fois. [25] La bioluminescence chez les poissons a commencé au moins au Crétacé. Environ 1 500 espèces de poissons sont connues pour être bioluminescentes, la capacité ayant évolué indépendamment au moins 27 fois. Parmi ceux-ci, 17 impliquaient l'absorption de bactéries biolumineuses de l'eau environnante tandis que dans les autres, la lumière intrinsèque évoluait par synthèse chimique. Ces poissons sont devenus étonnamment diversifiés dans les profondeurs de l'océan et contrôlent leur lumière à l'aide de leur système nerveux, l'utilisant non seulement pour attirer des proies ou se cacher des prédateurs, mais aussi pour communiquer. [26] [27]

Tous les organismes bioluminescents ont en commun que la réaction d'une « luciférine » et de l'oxygène est catalysée par une luciférase pour produire de la lumière. [28] McElroy et Seliger ont proposé en 1962 que la réaction bioluminescente évoluait pour détoxifier l'oxygène, parallèlement à la photosynthèse. [29]

Thuesen, Davis et al. ont montré en 2016 que la bioluminescence a évolué indépendamment 27 fois au sein de 14 clades de poissons parmi les poissons à nageoires rayonnées. [26]

La bioluminescence est une forme de chimiluminescence où l'énergie lumineuse est libérée par une réaction chimique. Cette réaction implique un pigment électroluminescent, la luciférine, et une luciférase, le composant enzymatique. [30] En raison de la diversité des combinaisons luciférine/luciférase, il y a très peu de points communs dans le mécanisme chimique. Parmi les systèmes actuellement étudiés, le seul mécanisme unificateur est le rôle de l'oxygène moléculaire, qui fournit de l'énergie chimique [31] il y a souvent une libération concomitante de dioxyde de carbone (CO2). Par exemple, la réaction luciférine/luciférase de la luciole nécessite du magnésium et de l'ATP et produit du CO2, l'adénosine monophosphate (AMP) et le pyrophosphate (PP) en tant que déchets. D'autres cofacteurs peuvent être nécessaires, tels que le calcium (Ca 2+ ) pour la photoprotéine équorine, ou les ions magnésium (Mg 2+ ) et l'ATP pour la luciférase de la luciole. [32] Génériquement, cette réaction peut être décrite comme :

Au lieu d'une luciférase, la méduse Aequorea victoria utilise un autre type de protéine appelée photoprotéine, dans ce cas spécifiquement l'équorine. [33] Lorsque des ions calcium sont ajoutés, la catalyse rapide crée un bref éclair tout à fait différent de la lueur prolongée produite par la luciférase. Dans une deuxième étape, beaucoup plus lente, la luciférine est régénérée à partir de la forme oxydée (oxyluciférine), lui permettant de se recombiner avec l'équorine, en vue d'un flash ultérieur. Les photoprotéines sont donc des enzymes, mais avec des cinétiques de réaction inhabituelles. [34] De plus, une partie de la lumière bleue libérée par l'équorine au contact des ions calcium est absorbée par une protéine fluorescente verte, qui à son tour libère de la lumière verte dans un processus appelé transfert d'énergie résonant. [35]

Dans l'ensemble, la bioluminescence est apparue plus de 40 fois dans l'histoire de l'évolution. [30] Au cours de l'évolution, les luciférines ont tendance à peu varier : une en particulier, la coelentérazine, est le pigment émetteur de lumière pour neuf phylums (groupes d'organismes très différents), dont les radiolaires polycystines, les cercozoaires (Phaeodaria), les protozoaires, les gelées en peigne, les cnidaires dont méduses et coraux, crustacés, mollusques, vers flèches et vertébrés (poissons à nageoires rayonnées). Tous ces organismes ne synthétisent pas la coelentérazine : certains l'obtiennent par leur alimentation. [30] À l'inverse, les enzymes luciférase varient considérablement et ont tendance à être différentes dans chaque espèce. [30]

La bioluminescence se produit largement chez les animaux, en particulier en haute mer, y compris les poissons, les méduses, les gelées en peigne, les crustacés et les mollusques céphalopodes chez certains champignons et bactéries et chez divers invertébrés terrestres, y compris les insectes. Environ 76% des principaux taxons d'animaux des grands fonds produisent de la lumière. [36] La plupart des émissions de lumière marine se situent dans le spectre de la lumière bleue et verte. Cependant, certains poissons à mâchoires lâches émettent une lumière rouge et infrarouge, et le genre Tomopteris émet une lumière jaune. [30] [37]

Les organismes bioluminescents les plus fréquemment rencontrés peuvent être les dinoflagellés dans les couches superficielles de la mer, qui sont responsables de la phosphorescence scintillante parfois observée la nuit dans les eaux perturbées. Au moins 18 genres présentent de la luminosité. [30] Un effet différent est celui des milliers de kilomètres carrés d'océan qui brillent de la lumière produite par les bactéries bioluminescentes, connues sous le nom de mareel ou l'effet des mers laiteuses. [38]

Zone pélagique Modifier

La bioluminescence est abondante dans la zone pélagique, avec la plus forte concentration à des profondeurs dépourvues de lumière et d'eaux de surface la nuit. Ces organismes participent à la migration verticale diurne des profondeurs sombres vers la surface la nuit, dispersant la population d'organismes bioluminescents à travers la colonne d'eau pélagique. La dispersion de la bioluminescence à différentes profondeurs dans la zone pélagique a été attribuée aux pressions de sélection imposées par la prédation et le manque d'endroits pour se cacher en pleine mer. Dans des profondeurs où la lumière du soleil ne pénètre jamais, souvent en dessous de 200 m, l'importance de la bioluminescence est évidente dans le maintien d'yeux fonctionnels pour que les organismes détectent la bioluminescence. [39]

Symbioses bactériennes Modifier

Les organismes produisent souvent eux-mêmes de la bioluminescence, ils la génèrent rarement à partir de phénomènes extérieurs. Cependant, il y a des occasions où la bioluminescence est produite par des symbiotes bactériens qui ont une relation symbiotique avec l'organisme hôte. Bien que de nombreuses bactéries lumineuses dans l'environnement marin vivent librement, une majorité se trouve dans des relations symbiotiques qui impliquent des poissons, des calmars, des crustacés, etc. en tant qu'hôtes. Les bactéries les plus lumineuses habitent la mer marine, avec Photobactérie et Vibrio genres dominant le milieu marin. [40]

Dans la relation symbiotique, la bactérie bénéficie d'une source de nourriture et d'un refuge pour se développer. Les hôtes obtiennent ces symbiotes bactériens soit de l'environnement, du frai, soit de la bactérie lumineuse qui évolue avec leur hôte. [41] Des interactions coévolutives sont suggérées car les adaptations anatomiques des organismes hôtes sont devenues spécifiques à seulement certaines bactéries lumineuses, pour suffire à la dépendance écologique de la bioluminescence. [42]

Zone benthique Modifier

La bioluminescence est largement étudiée parmi les espèces situées dans la zone mésopélagique, mais la zone benthique aux profondeurs mésopélagiques est restée largement inconnue. Les habitats benthiques à des profondeurs au-delà du mésopélagique sont également mal compris en raison des mêmes contraintes. Contrairement à la zone pélagique où l'émission de lumière n'est pas perturbée en pleine mer, l'apparition de bioluminescence dans la zone benthique est moins fréquente. Elle a été attribuée au blocage de la lumière émise par un certain nombre de sources telles que le fond marin et les structures inorganiques et organiques. Les signaux visuels et la communication qui prévalent dans la zone pélagique, tels que le contre-éclairage, peuvent ne pas être fonctionnels ou pertinents dans le domaine benthique. La bioluminescence chez les espèces benthiques bathyales reste encore peu étudiée en raison des difficultés de collecte des espèces à ces profondeurs. [43]

La bioluminescence a plusieurs fonctions dans différents taxons. Steven Haddock et al. (2010) énumèrent comme fonctions plus ou moins définies dans les organismes marins les éléments suivants : fonctions défensives de sursaut, contre-éclairage (camouflage), erreur de direction (écran de fumée), parties du corps distrayantes, alarme antivol (rendant les prédateurs plus faciles à voir pour les prédateurs supérieurs) , et avertissement pour dissuader les colons d'attirer, d'étourdir ou de confondre les proies, d'éclairer les proies et d'attirer/reconnaître les partenaires. Il est beaucoup plus facile pour les chercheurs de détecter qu'une espèce est capable de produire de la lumière que d'analyser les mécanismes chimiques ou de prouver à quoi sert la lumière. [30] Dans certains cas, la fonction est inconnue, comme pour les espèces de trois familles de vers de terre (Oligochaeta), telles que Diplocardie longue où le fluide cœlomique produit de la lumière lorsque l'animal se déplace. [44] Les fonctions suivantes sont raisonnablement bien établies dans les organismes nommés.

Camouflage de contre-illumination Modifier

Chez de nombreux animaux des grands fonds, y compris plusieurs espèces de calmars, la bioluminescence bactérienne est utilisée pour le camouflage par contre-éclairage, dans lequel l'animal correspond à la lumière environnementale aérienne vue d'en bas. [45] Chez ces animaux, les photorécepteurs contrôlent l'éclairage pour qu'il corresponde à la luminosité de l'arrière-plan. [45] Ces organes lumineux sont généralement séparés du tissu contenant les bactéries bioluminescentes. Cependant, chez une espèce, Scolopes d'Euprymna, les bactéries font partie intégrante de l'organe lumineux de l'animal. [46]

Attraction Modifier

La bioluminescence est utilisée de diverses manières et à des fins différentes. L'octopode cirrate Stauroteuthis syrtensis utilise émet de la bioluminescence à partir de ses structures en forme de ventouse. [47] On pense que ces structures ont évolué à partir de ce qui est plus communément connu sous le nom de drageons de poulpe. Ils n'ont pas la même fonction que les ventouses normales car ils n'ont plus aucune capacité de manipulation ou de préhension en raison de l'évolution des photophores. Le placement des photophores est à la portée orale des animaux, ce qui conduit les chercheurs à suggérer qu'il utilise la bioluminescence pour capturer et attirer les proies. [48]

Les lucioles utilisent la lumière pour attirer les partenaires. Deux systèmes sont impliqués selon les espèces dans l'un, les femelles émettent de la lumière depuis leur abdomen pour attirer les mâles dans l'autre, les mâles volants émettent des signaux auxquels répondent les femelles parfois sédentaires. [44] [49] Les scarabées émettent une lumière orange de l'abdomen lorsqu'ils volent et une lumière verte du thorax lorsqu'ils sont dérangés ou se déplacent sur le sol. Le premier est probablement un attractif sexuel mais le second peut être défensif. [44] Larves du taupin Pyrophorus nyctophanus vivent dans les couches superficielles des termitières au Brésil. Ils éclairent les monticules en émettant une lueur verdâtre brillante qui attire les insectes volants dont ils se nourrissent. [44]

Dans le milieu marin, l'utilisation de la luminescence pour attirer le partenaire est principalement connue chez les ostracodes, de petits crustacés ressemblant à des crevettes, en particulier dans la famille des Cyprididae. Les phéromones peuvent être utilisées pour les communications à longue distance, la bioluminescence étant utilisée à courte distance pour permettre aux partenaires de "se loger". [30] Un ver polychète, le ver de feu des Bermudes crée une brève parade, quelques nuits après la pleine lune, lorsque la femelle s'illumine pour attirer les mâles. [50]

Défense Modifier

Les mécanismes de défense des organismes bioluminescents peuvent se présenter sous plusieurs formes : proies surprenantes, contre-éclairage, écran de fumée ou mauvaise orientation, parties du corps distrayantes, alarme antivol, étiquette sacrificielle ou coloration décroissante. La famille des crevettes Oplophoridae Dana utilise leur bioluminescence comme moyen de surprendre le prédateur qui les poursuit. [51] Acanthephyra purpurea, au sein de la famille des Oplophoridae, utilise ses photophores pour émettre de la lumière et peut sécréter une substance bioluminescente en présence d'un prédateur. Ce mécanisme de sécrétion est courant chez les poissons proies. [52]

De nombreux céphalopodes, dont au moins 70 genres de calmars, sont bioluminescents. [30] Certains calmars et petits crustacés utilisent des mélanges chimiques bioluminescents ou des boues bactériennes de la même manière que de nombreux calmars utilisent de l'encre. Un nuage de matière luminescente est expulsé, distrayant ou repoussant un prédateur potentiel, tandis que l'animal s'enfuit en lieu sûr. [30] Le calmar des grands fonds Octopoteuthis deletron peut autotomiser des parties de ses bras qui sont lumineuses et continuent à se contracter et à clignoter, distrayant ainsi un prédateur pendant que l'animal s'enfuit. [30]

Les dinoflagellés peuvent utiliser la bioluminescence pour se défendre contre les prédateurs. Ils brillent lorsqu'ils détectent un prédateur, rendant éventuellement le prédateur lui-même plus vulnérable en attirant l'attention des prédateurs des niveaux trophiques supérieurs. [30] Les copépodes au pâturage libèrent toutes les cellules de phytoplancton qui clignotent, indemnes si elles étaient mangées, elles feraient briller les copépodes, attirant les prédateurs, de sorte que la bioluminescence du phytoplancton est défensive. Le problème du contenu brillant de l'estomac est résolu (et l'explication est corroborée) chez les poissons prédateurs d'eau profonde : leurs estomacs ont une doublure noire capable d'empêcher la lumière de toute proie de poisson bioluminescent qu'ils ont avalée d'attirer de plus gros prédateurs. [9]

La luciole de mer est un petit crustacé vivant dans les sédiments. Au repos, il émet une lueur terne mais lorsqu'il est dérangé, il s'éloigne en laissant un nuage de lumière bleue chatoyante pour confondre le prédateur. Pendant la Seconde Guerre mondiale, il a été ramassé et séché pour être utilisé par l'armée japonaise comme source de lumière lors d'opérations clandestines. [16]

Les larves de vers de chemin de fer (Phrixothrix) ont des organes photiques appariés sur chaque segment du corps, capables de briller avec une lumière verte, on pense qu'ils ont un but défensif. [53] Ils ont aussi des organes sur la tête qui produisent de la lumière rouge ce sont les seuls organismes terrestres à émettre une lumière de cette couleur. [54]

Avertissement Modifier

L'aposématisme est une fonction largement utilisée de la bioluminescence, fournissant un avertissement que la créature concernée est désagréable. Il est suggéré que de nombreuses larves de lucioles brillent pour repousser les prédateurs, certains mille-pattes brillent dans le même but. [55] On pense que certains organismes marins émettent de la lumière pour une raison similaire. Il s'agit notamment des vers à écailles, des méduses et des ophiures, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour établir pleinement la fonction de la luminescence. Un tel mécanisme serait particulièrement avantageux pour les cnidaires à corps mou s'ils étaient capables de dissuader la prédation de cette manière. [30] La patelle Latia neritoides est le seul gastéropode d'eau douce connu qui émet de la lumière. Il produit du mucus luminescent verdâtre qui peut avoir une fonction anti-prédateur. [56] L'escargot marin Hinea brasiliana utilise des éclairs de lumière, probablement pour dissuader les prédateurs. La lumière bleu-vert est émise à travers la coque translucide, qui fonctionne comme un diffuseur de lumière efficace. [57]

Communication Modifier

La communication sous forme de quorum sensing joue un rôle dans la régulation de la luminescence chez de nombreuses espèces de bactéries. Les petites molécules sécrétées extracellulairement stimulent les bactéries à activer les gènes pour la production de lumière lorsque la densité cellulaire, mesurée par la concentration des molécules sécrétées, est élevée. [30]

Les pyrosomes sont des tuniciers coloniaux et chaque zooïde a une paire d'organes luminescents de chaque côté du siphon d'entrée. Lorsqu'ils sont stimulés par la lumière, ils s'allument et s'éteignent, provoquant un clignotement rythmique. Aucune voie neurale ne passe entre les zooïdes, mais chacun répond à la lumière produite par d'autres individus, et même à la lumière d'autres colonies voisines. [58] La communication par émission lumineuse entre les zooïdes permet de coordonner l'effort de la colonie, par exemple en nage où chaque zoïde fournit une partie de la force de propulsion. [59]

Certaines bactéries biolumineuses infectent les nématodes qui parasitent les larves de lépidoptères. Lorsque ces chenilles meurent, leur luminosité peut attirer des prédateurs vers l'insecte mort, contribuant ainsi à la dispersion des bactéries et des nématodes. [44] Une raison similaire peut expliquer les nombreuses espèces de champignons qui émettent de la lumière. Espèces dans les genres Armillaire, Mycène, Omphalotus, Panellus, pleurote et d'autres le font, émettant généralement une lumière verdâtre à partir du mycélium, de la calotte et des branchies. Cela peut attirer les insectes volants la nuit et aider à la dispersion des spores, mais d'autres fonctions peuvent également être impliquées. [44]

Quantula striata est le seul mollusque terrestre bioluminescent connu. Des impulsions lumineuses sont émises par une glande près de l'avant du pied et peuvent avoir une fonction de communication, bien que la signification adaptative ne soit pas entièrement comprise. [60]

Mimétisme Modifier

La bioluminescence est utilisée par une variété d'animaux pour imiter d'autres espèces. De nombreuses espèces de poissons d'eau profonde comme la baudroie et le poisson-dragon utilisent un mimétisme agressif pour attirer les proies. Ils ont un appendice sur la tête appelé esca qui contient des bactéries bioluminescentes capables de produire une lueur durable que le poisson peut contrôler. L'esca rougeoyante est suspendue ou agitée pour attirer les petits animaux à une distance de frappe du poisson. [30] [61]

Le requin emporte-pièce utilise la bioluminescence pour camoufler son dessous par contre-éclairage, mais une petite tache près de ses nageoires pectorales reste sombre, apparaissant comme un petit poisson pour les grands poissons prédateurs comme le thon et le maquereau nageant en dessous. Lorsque ces poissons s'approchent du leurre, ils sont mordus par le requin. [62] [63]

Femelle Photuris les lucioles imitent parfois le motif lumineux d'une autre luciole, Photinus, pour attirer ses mâles comme proies. De cette façon, ils obtiennent à la fois de la nourriture et des produits chimiques défensifs appelés lucibufagines, qui Photuris ne peut pas synthétiser. [64]

Cafards géants d'Amérique du Sud du genre Lucihormetica étaient considérés comme le premier exemple connu de mimétisme défensif, émettant de la lumière imitant les coléoptères bioluminescents et venimeux. [65] Cependant, le doute a été jeté sur cette affirmation, et il n'y a aucune preuve concluante que les cafards sont bioluminescents. [66] [67]

Éclairage Modifier

Alors que la plupart des bioluminescences marines sont vertes à bleues, certains poissons-dragons barbelés des grands fonds Aristostomies, Pachystomies et Malacostée émettre une lueur rouge. Cette adaptation permet au poisson de voir des proies pigmentées de rouge, qui sont normalement absentes de l'environnement océanique profond où la lumière rouge a été filtrée par la colonne d'eau. [68]

Le poisson-dragon noir Malacosteus niger est probablement le seul poisson à produire une lueur rouge. Ses yeux, cependant, sont insensibles à cette longueur d'onde, il possède un pigment rétinien supplémentaire qui émet une fluorescence bleu-vert lorsqu'il est illuminé. Cela alerte le poisson de la présence de sa proie. On pense que le pigment supplémentaire est assimilé à des dérivés de chlorophylle trouvés dans les copépodes qui font partie de son régime alimentaire. [69]

Biologie et médecine Modifier

Les organismes bioluminescents sont une cible pour de nombreux domaines de recherche. Les systèmes de luciférase sont largement utilisés en génie génétique en tant que gènes rapporteurs, chacun produisant une couleur différente par fluorescence, [70] [71] et pour la recherche biomédicale utilisant l'imagerie par bioluminescence. [72] [73] [74] Par exemple, le gène de la luciférase de la luciole a été utilisé dès 1986 pour la recherche utilisant des plants de tabac transgéniques. [75] Vibrio les bactéries symbiosent avec les invertébrés marins tels que le calmar bobtail hawaïen (Scolopes d'Euprymna), sont des modèles expérimentaux clés pour la bioluminescence. [76] [77] La ​​destruction activée par bioluminescent est un traitement expérimental du cancer. [78]

In Vivo l'imagerie cellulaire et animale par luminescence utilise des colorants et des protéines fluorescentes comme chromophores. Les caractéristiques de chaque chromophore déterminent la ou les zones cellulaires qui seront ciblées et illuminées. [79]

Production de lumière Modifier

Les structures des photophores, les organes producteurs de lumière dans les organismes bioluminescents, sont étudiées par des designers industriels. La bioluminescence technique pourrait peut-être un jour être utilisée pour réduire le besoin d'éclairage public ou à des fins décoratives s'il devient possible de produire une lumière à la fois suffisamment brillante et pouvant être maintenue pendant de longues périodes à un prix raisonnable. [11] [80] [81] Le gène qui fait briller les queues des lucioles a été ajouté aux plants de moutarde. Les plantes brillent faiblement pendant une heure au toucher, mais un appareil photo sensible est nécessaire pour voir la lueur. [82] L'Université du Wisconsin-Madison étudie l'utilisation de bactéries E. coli bioluminescentes génétiquement modifiées, à utiliser comme bactéries bioluminescentes dans une ampoule. [83] En 2011, Philips a lancé un système microbien pour l'éclairage d'ambiance dans la maison. [84] [85] Une équipe iGEM de Cambridge (Angleterre) a commencé à résoudre le problème de la consommation de luciférine dans la réaction de production de lumière en développant une partie biotechnologique génétique qui code pour une enzyme de régénération de la luciférine de la luciole nord-américaine. [86] En 2016, Glowee, une entreprise française a commencé à vendre des lampes bioluminescentes pour les devantures de magasins et les panneaux de signalisation, [87] à utiliser entre 1 et 7 heures du matin lorsque la loi interdit l'utilisation de l'électricité à cette fin. [88] [89] Ils ont utilisé la bactérie bioluminescente Aliivibrio fischeri, mais la durée de vie maximale de leur produit était de trois jours. [87] En avril 2020, les plantes ont été génétiquement modifiées pour briller plus intensément en utilisant les gènes du champignon bioluminescent Néonotopanus nambi pour convertir l'acide caféique en luciférine. [89] [90]


Pleins feux sur les espèces du NETN - Lièvre d'Amérique

Contrairement au Spotlight du mois dernier sur les coyotes - un généraliste très réussi, certaines créatures sont intimement liées à leur environnement immédiat. Les lièvres d'Amérique font partie de ces animaux. Fortement adaptés aux environnements froids et enneigés du nord des États-Unis et du Canada, leur fortune est également étroitement liée à un autre habitant des forêts du nord - le lynx du Canada.

Ce lièvre doit teindre.

Le lièvre d'Amérique a de nombreux atouts dans son sac qui l'aident à survivre et à prospérer dans les conditions difficiles de la forêt boréale. Les plus célèbres sont les pattes arrière en fourrure surdimensionnées qui l'aident à rester au sommet des neiges profondes et (espérons-le) à distancer ses prédateurs. Aussi bien connu est son changement annuel d'un manteau de fourrure brun à presque tout blanc. Avec un peu de chance, le moment de ce changement annuel coïncidera parfaitement avec les premières neiges de l'hiver.Leur nouveau manteau blanc offre non seulement un camouflage idéal, mais est également nettement plus chaud (27 % plus chaud selon au moins une étude) que leur manteau d'été marron. Le pelage d'hiver devient plus épais, mais les propriétés de la fourrure blanche sans pigment jouent également un rôle. La fourrure brune nécessite un pigment brun, qui remplit chaque brin du manteau de fourrure d'été. Le pelage blanc n'a cependant pas de pigment, ce qui signifie que les cheveux ne sont remplis que d'air emprisonné, un excellent isolant. C'est la même raison pour laquelle les fenêtres à guillotine double sont si populaires dans les climats froids.

Et pour mon prochain truc.

Lorsque la neige fond au printemps, elle laisse un patchwork de brun et de blanc. La fourrure du lièvre imite ce motif lorsqu'il mue dans son pelage d'été. Dans certaines parties de leur aire de répartition, le réchauffement climatique fait du port d'un manteau d'hiver blanc plus un handicap qu'un atout. Une étude récente a révélé qu'un acte de disparition pour leur manteau blanc peut être la dernière astuce pour certains lièvres. Bien que leur aire de répartition ne se chevauche que dans de très petites zones, il semble que les lièvres d'Amérique et les lapins à queue noire se croisent depuis un certain temps. Une conséquence de ceci est que les lièvres qui en résultent perdent leur capacité à devenir blancs en hiver. Cette sélection naturelle en action peut être la chose même qui aide les lièvres à continuer à survivre dans une période couverte de neige beaucoup plus courte alors que le climat se réchauffe davantage.

Maintenant, vous êtes juste une veine

Le lièvre peut tirer plusieurs autres tours de son chapeau pour l'aider à survivre aux hivers longs et froids. L'une concerne la manière même dont leur carte corporelle est présentée. Pour assurer une perte de chaleur minimale lors de la circulation du sang dans le corps, leurs veines et artères sont disposées de manière très particulière dans les extrémités. Bien qu'ils ne soient pas aussi développés que dans les pattes et les pattes des oiseaux et la queue des castors, les lièvres profitent d'un phénomène physiologique connu sous le nom d'échange thermique à contre-courant. Lorsque le sang quitte le cœur et le noyau du corps, il est chaud. En se déplaçant autour du corps et dans les extrémités, il se refroidit. Afin de réduire les pertes de chaleur, les artères et les veines de certains animaux qui vivent dans les climats froids sont disposées très près les unes des autres. Cela permet au sang artériel chaud de réchauffer le sang veineux froid lorsqu'ils se croisent, gardant les pattes, les oreilles et la queue à l'abri du gel et des engelures.

Coprophagie. Plus seulement pour le petit-déjeuner

Les lièvres d'Amérique ont un problème. Ce sont principalement des herbivores, et pendant les périodes couvertes de neige, les options deviennent très limitées. L'écorce et les petits bourgeons terminaux des brindilles de saule, de bouleau et d'autres petits arbres sont souvent la meilleure option. Mais sans les estomacs multi-chambres des cerfs et des vaches, ce régime riche en fibres est difficile pour le système digestif simple d'un si petit animal d'en extraire les nutriments. Opter pour la légèreté relative qu'un système digestif simple permet est une tactique de survie en soi - transporter tout le poids supplémentaire d'un système digestif plus complexe les rendrait plus lents et plus faciles à attraper. Alors qu'est-ce qu'on fait ? Eh bien, pourquoi ne pas manger vos propres excréments partiellement digérés ? Apparemment contre-productive pour la santé et le bien-être, cette pratique est en réalité cruciale pour leur survie. De nombreuses parties de la plante passent pratiquement vierges à travers l'estomac et l'intestin grêle du lièvre, et conservent donc encore une grande partie de leur valeur nutritionnelle. Une fois qu'elles atteignent le caecum (une zone en forme de poche au sommet du gros intestin), les bactéries peuvent commencer leur travail en fermentant et en décomposant la matière ligneuse en protéines essentielles et en vitamines B, mais c'est trop loin pour que le lièvre puisse l'absorber. l'alimentation. Après une journée de repas, le lièvre défèque des « cécotropes » riches en nutriments, doux, sombres et goudronnés la nuit. Ils sont immédiatement consommés, libérant l'accès à ces nutriments clés lors du deuxième passage. Lorsqu'elles sont ensuite éjectées, elles ressemblent aux minuscules boules rondes plus familières de matière ligneuse.

Dans ce qui est un rituel de Northwoods - un lynx du Canada tente de chasser un lièvre d'Amérique dans la neige profonde de l'hiver.

Le cercle de la vie. Et la Mort.

Le lièvre d'Amérique est considéré comme une « espèce clé ». Cela signifie essentiellement qu'ils ont un effet disproportionné sur de nombreuses autres espèces qui habitent leur sphère. Ils sont des proies importantes pour le coyote, le renard et au moins 10 espèces de faucons et de hiboux, et lorsque leur nombre est élevé, ils peuvent avoir un impact considérable sur la végétation. Mais dans ce qui est peut-être la relation prédateur-proie la plus célèbre du monde naturel, les populations de lynx du Canada sont intimement liées à celle du lièvre d'Amérique.
Le fait que les populations de lièvres d'Amérique augmentent puis s'effondrent tous les 10 ans environ est un phénomène connu depuis des siècles. Mais les mécanismes derrière ce cycle d'horlogerie n'ont jamais vraiment été compris à 100%. De la même manière que d'essayer d'expliquer comment une roue de vélo est passée d'un point A à un point B en n'étudiant qu'un seul rayon, il est impossible de comprendre le cycle du lièvre en ne regardant que le lièvre. Les nombres de lièvres sont liés à de nombreux autres « rayons » dans l'écosystème de Northwoods qui aident à conduire le cycle. Les écologistes sont raisonnablement convaincus qu'une combinaison de nombres de populations de lièvres, de nombres de prédateurs et de disponibilité/physiologie de la nourriture a un rôle à jouer dans ce cycle d'expansion-récession.
La théorie principale ressemble à ceci: au début d'un cycle de 10 ans, le nombre de lièvres est faible après avoir juste écrasé et le nombre de lynx est élevé après s'être régalé d'années de forte abondance de lièvres. Parfois, la nourriture hivernale préférée du lièvre, les saules, a été sévèrement broutée et réprimée à cette époque. Après un an ou deux de faible nombre de lièvres, le nombre de lynx s'effondre et les saules commencent à se rétablir. Au fur et à mesure que les pressions des prédateurs se relâchent et que la disponibilité de nourriture recommence à augmenter, les populations de lièvres aussi. Ils font ce qu'ils font le mieux, et après plusieurs années, leur nombre augmente à nouveau rapidement. Bien sûr, cette vague de proies signifie que le nombre de lynx recommence également à augmenter. Plus surprenant, alors que les saules sont de plus en plus joyeusement grignotés par les lièvres, ils commencent à changer de composition chimique. Les saules commencent à produire de grandes quantités de toxines qui les rendent désagréables au lièvre, qui se concentre alors davantage sur le bouleau des marais et d'autres arbres, retardant leur croissance. Étonnamment, les saules ne concentrent les toxines que dans les deux pieds inférieurs de leur maquillage, ce qui signifie qu'un autre consommateur de saules, l'orignal, peut toujours profiter de l'un de ses repas d'hiver préférés sans être souillé. Le stress psychologique dû à la pression constante des prédateurs et à la diminution de la disponibilité de la nourriture semble réduire de moitié le rendement reproducteur des mères lièvres. Alors qu'ils sont pressés de tous les côtés, les nombres de lièvres s'écrasent soudainement, ce qui recommence le cycle. Cela se produit à peu près tous les 9 à 11 ans sur de vastes étendues du Canada.


Comment la chaleur est-elle transférée ?

Avez-vous déjà tenu une tasse de chocolat chaud après avoir été dehors dans le froid ? Tenir une tasse chaude rend vos mains plus chaudes. Ce que vous vivez est le transfert de chaleur d'un objet à un autre. L'énergie thermique du chocolat chaud est transférée à vos mains.

Lorsque deux objets ont des températures différentes, la chaleur est transférée. L'objet le plus froid se réchauffe jusqu'à ce que les deux objets aient la même température. L'énergie thermique circule toujours de l'objet le plus chaud vers l'objet le plus froid.

La chaleur peut être transférée de trois manières :

Conduction

Conduction se produit lorsque des matériaux ou des objets sont en contact direct les uns avec les autres. Les molécules de l'objet le plus chaud vibrent plus rapidement que celles de l'objet le plus froid. Les molécules vibrantes les plus rapides entrent en collision avec les molécules les plus lentes. Cela fait vibrer plus rapidement les molécules les plus froides et l'objet se réchauffe. Par exemple, vous êtes-vous déjà assis sur un canapé cool ? Avez-vous remarqué à quel point le siège était beaucoup plus chaud lorsque vous vous êtes levé? La chaleur de votre peau a été transférée au canapé par la vibration des molécules.

La conduction peut également se produire dans un seul objet. Pensez à une tige de métal qui vient de fouiller dans une cheminée. L'extrémité de la tige qui a touché les braises chaudes devient très chaude. L'énergie de l'extrémité chaude se déplacera à travers la tige vers l'extrémité la plus froide. Finalement, la température de la tige entière sera la même. C'est pourquoi il est important de porter un gant lors de la manipulation d'une tige de métal chaud !

Certains matériaux sont meilleurs que d'autres pour conduire la chaleur. Vous avez peut-être remarqué cela en vous promenant dans votre maison en hiver. Avez-vous déjà remarqué que vos pieds deviennent beaucoup plus froids en marchant sur du carrelage de salle de bain que sur de la moquette ? Cela se produit même si le carrelage et le tapis sont à la même température que votre maison. Cependant, le carrelage est un bien meilleur conducteur que le tapis. Plus de chaleur circule de votre pied vers le sol lorsque vous marchez sur du carrelage que sur un tapis.

Conductivité thermique est une mesure de la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Les matériaux qui sont bons pour conduire la chaleur sont connus comme conducteurs. Les métaux tels que l'argent, le cuivre et l'aluminium sont des conducteurs. Les matériaux qui ne sont pas bons pour conduire la chaleur et sont connus comme isolants. La mousse de polystyrène, la neige et la fibre de verre sont des exemples d'isolants. De nombreuses maisons ont une isolation. L'isolation empêche les maisons de perdre trop d'énergie thermique dans l'air ambiant. De nombreux objets courants fournissent également une isolation contre l'air tels que les glacières, les flacons isothermes et les sacs de couchage.

Le saviez-vous?

Les chefs aiment utiliser des cuillères en bois car le bois n'est pas un bon conducteur de chaleur. Cela signifie que les cuillères ne chaufferont pas trop rapidement et ne se brûleront pas les mains.

La conduction se produit généralement dans les solides. Les particules dans les liquides ou les gaz sont plus éloignées que dans les solides. Cela facilite la circulation des molécules de gaz et de liquide. Ainsi, les liquides et les gaz transfèrent plus souvent de la chaleur par convection.

Convection

Convection est une autre façon que la chaleur peut être transférée. Convection est un mouvement dans un gaz ou un liquide causé par des différences de température. Ce mouvement transfère la chaleur dans le gaz et le liquide. Les molécules dans les liquides et les gaz sont plus éloignées les unes des autres et ont plus d'espace pour se déplacer que dans les solides. Pour cette raison, les molécules de liquide ou de gaz chauffées peuvent se déplacer physiquement. Ceci est différent de la conduction, où les molécules vibrent simplement plus rapidement.

Chauffer une casserole d'eau sur un brûleur est un exemple de convection. La chaleur est transférée aux molécules d'eau au fond du pot par conduction. Ces molécules commencent à se déplacer plus rapidement. L'eau au fond du pot devient moins dense. Il s'élève au-dessus de l'eau plus dense et plus froide. Au fur et à mesure que l'eau monte, elle transporte de l'énergie thermique vers le haut. L'eau plus froide prend place au fond du pot où elle est chauffée. Cela crée un cycle circulaire de transfert de chaleur. Ce modèle est connu sous le nom de convection.

La convection joue un rôle très important dans le vent et les courants océaniques. Par exemple, l'air au-dessus de la terre est généralement plus chaud que l'air au-dessus de l'océan. L'air plus chaud se réchauffe et monte. Il est ensuite remplacé par de l'air plus frais provenant d'au-dessus de l'océan. Nous vivons ce mouvement d'air comme du vent.

Le rayonnement est le troisième type de transfert de chaleur. Contrairement à la convection et à la conduction, aucune matière n'est nécessaire pour le rayonnement. Le rayonnement thermique est le transfert d'énergie via ondes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques transportent l'énergie à travers l'espace. Le rayonnement thermique est la façon dont le Soleil chauffe la Terre. L'énergie du Soleil voyage par vagues dans l'espace, et non à travers des atomes ou des molécules. D'autres objets chauds, comme un grille-pain ou votre corps, émettent également de l'énergie thermique. Un micro-ondes utilise également un rayonnement pour chauffer vos aliments.

Transfert de chaleur dans une maison

Un exemple des trois processus de transfert de chaleur se produisant en même temps est le chauffage ou le refroidissement d'une maison.

  1. La conduction peut chauffer ou refroidir la maison. En été, la chaleur est transférée de l'air chaud extérieur dans la maison à travers les murs ou le toit. En hiver, la chaleur est transférée de l'air chaud à l'intérieur de la maison à travers le mur ou le toit.
  2. La convection se produit à l'intérieur de chaque pièce. L'air plus chaud monte vers le plafond et l'air plus frais descend vers le sol. La convection est aussi la raison pour laquelle le deuxième étage d'une maison est plus chaud que le sous-sol.
  3. Le rayonnement thermique du soleil chauffe le toit de la maison. Le rayonnement peut également transférer l'énergie thermique à travers les fenêtres.

Nous faisons l'expérience de ces différentes formes de transfert de chaleur tous les jours. La compréhension de ces concepts peut conduire à des utilisations innovantes de l'énergie thermique. Par exemple, un adolescent canadien a créé une lampe de poche alimentée par la chaleur de votre main. Qui sait de quelles autres manières nous utiliserons notre connaissance de la chaleur à l'avenir.


Informations essentielles sur le programme/Appliquer

Les étudiants apprennent comment la recherche est menée et beaucoup auront l'occasion de présenter les résultats de leurs travaux lors de conférences scientifiques. Les étudiants utiliseront des techniques à la pointe de la recherche chimique pour répondre à de nouvelles questions et amélioreront leurs capacités à diriger et à performer dans des équipes de recherche.

Les étudiants de REU seront des participants à part entière à toutes les activités de laboratoire habituelles, y compris les réunions de laboratoire. Un mentorat et un soutien seront fournis tout au long de l'expérience pour permettre aux étudiants de grandir en tant que scientifiques indépendants.

Détails du programme 2022

  • Horaire de 10 semaines : juin – août 2022
  • allocation de 5 000 $
  • Hébergement gratuit sur le campus et plan de repas
  • Les étudiants sont responsables de leurs frais de voyage
  • Engagement à temps plein dans la recherche
  • Séminaires de développement professionnel et de recherche, activités sociales, présentation finale de la recherche

Suis-je éligible ?

Les candidats doivent répondre aux exigences suivantes :

  • Étudiants de premier cycle (élèves de deuxième année à la hausse jusqu'aux aînés en hausse, à compter de l'été de l'année du programme)
  • Citoyens américains ou résidents permanents uniquement
  • Étudiants se spécialisant en chimie, en biochimie ou dans d'autres disciplines connexes
  • Fort intérêt pour une carrière qui implique la recherche scientifique
  • Les femmes, les étudiants de première génération et les étudiants des groupes sous-représentés dans le domaine des sciences sont encouragés à postuler
  • La préférence sera donnée aux étudiants issus d'établissements dépourvus de programmes de recherche doctorale en chimie
  • Les étudiants de premier cycle du Nord-Est ne sont PAS éligibles

Comment s'inscrire

Merci de votre intérêt pour le programme REU du département de chimie de la Northeastern University. La date limite pour soumettre votre candidature complète est le 15 mars 2022. Veuillez noter que le programme REU utilise le même portail que les programmes d'études supérieures de la Northeastern University.

L'application nécessite les éléments suivants :

Demande en ligne complétée

  • Veuillez noter que le programme REU utilise le même portail de candidature en ligne que les programmes d'études supérieures de la Northeastern University.
  • Le collège/l'école c'est « la science”
  • Le programme est « Expérience de recherche pour les étudiants de premier cycle - Chimie » PAS UN STAGE
  • Le diplôme est « Non-diplôme »
  • La concentration/spécialité/piste est « non applicable »
  • Le statut d'inscription est « à temps plein »
  • Le terme d'entrée est « Eté » et l'année

Copies de relevés de notes non officiels

Entrez votre GPA pour une décimale.

Déclaration personelle

  • Entrez ceci est la section supplémentaire
  • En 500 mots ou moins, parlez-nous de vos aspirations en tant que scientifique et de la façon dont la participation à ce programme d'été s'inscrit dans vos objectifs académiques et professionnels. Assurez-vous d'inclure vos intérêts de recherche.

Lettre de recommandation

Dans la liste des fournisseurs de recommandations, ajoutez les noms et les coordonnées de deux recommandataires. Les recommandataires recevront un e-mail automatisé du système de candidature avec un lien pour soumettre leurs recommandations en ligne.

Questions de la section supplémentaire pour les candidats au programme REU

Complétez les questions complémentaires.

Les frais de candidature sont SUPPRIMÉS

Sélectionnez que vous paierez les frais par chèque et nous SUPPRIMERONS les frais lors de la soumission de votre demande.

Non requis:

Résultats des tests, expérience professionnelle

Calendrier des activités

Semaine 1

  • Accueil et orientation
  • Introduction aux laboratoires/formation à la sécurité en laboratoire
  • Séminaire sur la catalyse
  • Visites
  • Sortie week-end

Semaine 2

Semaine 3

  • Séminaire des membres du corps professoral
  • Maîtrise de l'information et recherche documentaire
  • Sortie week-end

Semaine 4

  • Séminaire des membres du corps professoral
  • L'école doctorale et le processus de candidature
  • Sortie d'entreprise
  • Sortie week-end

Semaine 5

Semaine 6

  • Séminaire des membres du corps professoral
  • Rédaction de curriculum vitae et révision
  • Sortie week-end
  • Barbecue annuel du département

Semaine 7

Semaine 8

Semaine 9

Semaine 10

Équipes de recherche

Les étudiants de REU seront des participants à part entière à toutes les activités de laboratoire habituelles, y compris les réunions de laboratoire. Un mentorat et un soutien seront fournis tout au long de l'expérience pour permettre aux étudiants de grandir en tant que scientifiques indépendants.

Développement de médicaments pour les maladies neurodégénératives

Le groupe Agar caractérise les modifications des protéines, des peptides et des lipides qui se produisent au cours de la neurodégénérescence, puis détermine lesquelles de ces modifications ont des conséquences structurelles ou toxiques. Nous tentons ensuite de développer des médicaments qui préviennent ces changements liés à la maladie.

Comprendre la réponse cellulaire aux dommages à l'ADN

L'intégrité génomique des organismes vivants est constamment menacée par des dommages à l'ADN, qui doivent être réparés ou peuvent bloquer la réplication normale de l'ADN cellulaire. Cependant, la famille Y d'ADN polymérases spécialisées a la capacité remarquable de répliquer des matrices d'ADN endommagées, permettant aux cellules de tolérer certains dommages à l'ADN, bien qu'à un coût mutagène potentiel. Les ADN polymérases de la famille Y sont conservées dans tous les domaines de la vie et présentent une certaine spécificité pour différents types de dommages à l'ADN, bien que la base de cette spécificité ne soit pas comprise. Ils accomplissent leur activité remarquable en utilisant le même mécanisme chimique fondamental à deux ions métalliques que les autres ADN polymérases. Notre recherche vise à déterminer la gamme de substrats endommagés contournés ainsi que la base inhérente à la spécificité pour différents types de dommages à l'ADN. Nous adoptons une approche globale pour comprendre les mécanismes moléculaires par lesquels les polymérases de la famille Y atteignent une spécificité, en utilisant des outils informatiques, la chimie synthétique, la biochimie, la microbiologie et l'ingénierie des protéines à évolution dirigée.

Rôle de l'étudiant du site REU : Rôle des étudiants de premier cycle : les étudiants testeront des variantes de polymérase dirigées vers un site et des bibliothèques aléatoires de variantes de polymérase pour leur capacité à copier l'ADN contenant différents types de dommages, à la fois in vitro et in vivo, afin de sonder la capacité catalyser des réactions avec une grande variété de substrats. Les variants actifs et inactifs sélectionnés seront caractérisés pour leur capacité à se lier à l'ADN ainsi que d'autres propriétés biophysiques. Les étudiants impliqués dans ces projets seront exposés aux concepts fondamentaux de la chimie des protéines et des acides nucléiques, de l'évolution dirigée, de la biotechnologie, de la biologie moléculaire, et apprendront les manipulations génétiques et les techniques microbiologiques, ainsi que développeront une expérience en chromatographie, électrophorèse, fluorescence et UV- Spectroscopie Vis.

Nanocapteurs

Mon groupe travaille actuellement à l'interface de la chimie et de la biologie pour développer et appliquer de nouvelles sondes à l'échelle nanométrique pour les mesures biologiques. Afin d'atteindre mon objectif d'imagerie chimique au plus profond du corps (cerveau, système nerveux central, système circulatoire), nous abordons le problème à travers deux directions. Premièrement, nous travaillons avec des capteurs basés sur la fluorescence dans des environnements cellulaires et tissulaires pour comprendre les capacités des capteurs pour la signalisation unicellulaire. Deuxièmement, nous adaptons nos capteurs pour qu'ils soient compatibles avec les techniques d'imagerie avancées (photoacoustique, IRM) afin d'obtenir des images en profondeur dans le corps. En fin de compte, nous utiliserons les sondes pour imager des processus chimiques spécifiques dans le corps, en temps réel.

Rôle de l'étudiant du site REU : Notre objectif est de mesurer la chimie du sang directement dans le corps, mais les nanoparticules injectées directement dans la circulation sanguine s'élimineraient rapidement du corps. Nous travaillons sur un stent à base d'hydrogel qui contient des nanocapteurs fluorescents dans la structure. S'ils sont insérés dans une veine, les capteurs pourraient mesurer directement la chimie du sang et la fluorescence pourrait être facilement visualisée à travers la peau. Les étudiants travailleraient sur les techniques d'impression 3D, le développement de capteurs et les tests de validation de principe sur paillasse.

Groupe de conception de biomatériaux (BDG)

Le BDG travaille à l'interface de la chimie bio-analytique, de la science des matériaux et du design. Le groupe étudie les mécanismes fondamentaux derrière les systèmes en biologie pour mieux informer la conception de nouvelles classes de biomatériaux à base de protéines qui peuvent interagir avec ou améliorer les performances des humains. Les molécules et/ou protéines clés impliquées dans les processus du système sont ensuite incorporées dans des matériaux à l'aide de techniques de fabrication personnalisées. Les projets de recherche actuels se concentrent sur la construction de capteurs catalytiques inspirés des céphalopodes et la conception de matériaux protéiques bioniques pour l'électronique implantable. Les chercheurs de premier cycle (10 au total/3 ans) ont apporté des contributions substantielles au BDG. En fait, la liste des auteurs de l'une de leurs publications sur les matériaux protéiques biohybrides d'impression à jet d'encre (Biointerphases, 2016 DOI : 10.1116/1.4966164) se compose entièrement d'auteurs de premier cycle. Dans un projet distinct sur la pigmentation des céphalopodes dans le groupe, un chercheur de premier cycle a été co-premier auteur de deux publications (Langmuir 2016, DOI : 10.1021/acs.langmuir.6b00243 J. of Visualized Experiments 2016, DOI : 10.3791/54803). Par conséquent, les étudiants de premier cycle de ce programme recevront une formation interdisciplinaire à l'interface de l'ingénierie, des matériaux et de la chimie analytique.

Rôle de l'étudiant du site REU : Le participant travaillera au sein d'une équipe comprenant 1 post-doctorant et 2 doctorants pour mieux comprendre la fonction dépendant de la composition des pigments sur la coloration adaptative chez les animaux et pour comprendre comment et pourquoi la molécule de pigment contribue au transfert d'électrons dans le chromatophore et si le transfert d'électrons catalyse l'absorption de la lumière en réponse à un stimulus optique. Cette recherche aura un impact significatif sur les matériaux bio-inspirés, le camouflage des textiles et des peintures, les écrans optiques et l'électronique flexible en fournissant une compréhension fondamentale des contributions moléculaires à l'extraction de la lumière dans les systèmes bio-photoniques naturels. Ce projet donnera à l'étudiant une expérience dans la séparation de petites molécules, la purification de composés (par exemple, TLC, HPLC) et la caractérisation de composés (par exemple, 1H et 13C RMN, IR, MS, rotation optique).

Ingénierie de la production de produits naturels médicinaux à partir de cultures cellulaires et tissulaires végétales

Les plantes sont une riche source de médicaments précieux en fait, 25 à 50 % de tous les médicaments sur ordonnance utilisés aux États-Unis sont extraits de plantes ou sont basés sur des structures chimiques provenant de plantes. Cependant, en raison des taux de croissance lents ou des faibles concentrations de produits trouvés dans les plantes, une voie alternative pour fournir ces médicaments essentiels est nécessaire. Notre groupe étudie la biosynthèse de médicaments dérivés de plantes à l'aide de cultures cellulaires et racinaires. Les cultures de cellules et de tissus végétaux peuvent être et ont été utilisées pour fournir des médicaments importants, potentiellement à des taux et des concentrations plus élevés que ceux trouvés dans les plantes entières et indépendamment du temps ou de la saison.

La vision globale de notre recherche est d'améliorer la production de composés pharmaceutiques dérivés de plantes critiques par le biais de cultures de cellules et de tissus végétaux, en utilisant spécifiquement la production d'alcaloïdes à partir de cultures de Catharanthus roseus (communément appelée pervenche de Madagascar) comme système modèle. La plante C. roseus produit plusieurs produits pharmaceutiques de grande valeur, notamment les médicaments anticancéreux vincristine et vinblastine. Le coût élevé (4 à 20 millions de dollars/kg) et le besoin de ces composés anticancéreux motivent nos recherches pour mieux comprendre leur biosynthèse et finalement surproduire ces précieux alcaloïdes de manière économique en utilisant des cultures de C. roseus. Dans ce projet, nous étudierons les goulots d'étranglement enzymatiques de la production d'alcaloïdes et développerons des cultures de racines transgéniques pour explorer l'expression et la localisation de ces goulots d'étranglement enzymatiques au sein de la racine. Les résultats de ce projet guideront nos efforts de génie génétique pour améliorer le flux catalytique vers nos alcaloïdes souhaités.

Rôle de l'étudiant du site REU :Le participant travaillera en étroite collaboration avec un doctorant pour évaluer l'effet des stratégies (c'est-à-dire l'ingénierie de l'expression de régulateurs transcriptionnels spécifiques) sur la croissance et sur la production d'alcaloïdes à partir de cultures transgéniques. Ces facteurs de transcription jouent un rôle à la fois dans la croissance et la biosynthèse des alcaloïdes. Le participant vérifiera l'intégration du transgène dans le génome de la plante grâce à des méthodes de biologie moléculaire, des constructions de clones utilisées pour le génie génétique, évaluera les effets de croissance à l'aide d'une méthode non invasive pour surveiller la croissance et d'un modèle mathématique pour calculer le taux de croissance, et analysera l'alcaloïde. contenu des cultures par absorbance HPLC-UV. L'objectif du projet est de déterminer le rôle du facteur de transcription sur la croissance et la production d'alcaloïdes

Conception de catalyseurs informatiques et découverte de réactions vertes

Voulez-vous que vos recherches estivales aient un impact réel ? Vous souhaitez découvrir de nouveaux matériaux pour compenser le changement climatique avec des panneaux solaires ou des médicaments anticancéreux alternatifs à la chimiothérapie ? Vous pouvez travailler dans l'un ou l'autre de ces domaines passionnants sans jamais avoir à enfiler une blouse de laboratoire ou des lunettes de protection dans notre groupe de calcul du Centre interdisciplinaire des sciences et de l'ingénierie ! Le groupe Lopez utilise des techniques de calcul et d'apprentissage automatique pour les découvertes chimiques. Nous collaborons avec d'autres groupes de recherche de la Northeastern University pour tester nos prédictions. Nous sommes motivés par l'identification de nouvelles réactions vertes, leur fonctionnement et l'identification de cibles photomédicales. Aucune expérience informatique n'est nécessaire pour rejoindre notre groupe et les étudiants de premier cycle ont réussi à publier des articles de premier auteur (DOI : 10.1021/acs.jpclett.9b02577 DOI : 10.1039/C8PP00095F), présentant à des conférences nationales et obtenant un doctorat de premier plan. programmes (Université du Michigan et autres).

Rôle des étudiants du site REU:

Les étudiants apprendront d'abord à utiliser un logiciel pour visualiser les matériaux de départ, les intermédiaires et les produits dans une réaction photochimique assignée. Ils apprendront les scripts bash et python de niveau d'introduction et appliqueront ces compétences pour soumettre des calculs de théorie fonctionnelle de la densité à nos ressources de calcul haute performance. Les étudiants deviendront compétents pour comprendre comment les surfaces d'énergie potentielle calculées sont liées aux résultats de réaction déterminés expérimentalement. À ce titre, ils décriront leurs résultats à un groupe expérimental collaborateur sur une base hebdomadaire. Les étudiants devront discuter des objectifs du projet et des résultats actuels toutes les deux semaines lors de notre réunion de groupe.

Synthèse organique/Chimie médicinale

Au laboratoire Manetsch, des chercheurs de premier cycle (20 au total/12 ans/1 NSF-REU) sont engagés dans des projets de chimie médicinale axés sur les antipaludiques, les antileishmaniens ou les agents antibactériens. Généralement, les étudiants de premier cycle contribuent à la préparation et à la purification des composés. L'objectif spécifique de ce programme de recherche en chimie médicinale est le développement de quinazoline-2,4-diamines N2,N4-disubstituées sélectives présentant une puissante activité antibactérienne ou antileishmania. Les étudiants de premier cycle utilisent une amination catalysée par le palladium d'halogénures d'aryle pour remplacer l'échafaudage de la quinazoline par des substituants appropriés. Par conséquent, les étudiants de premier cycle de ce programme obtiendront une formation à l'interface de la synthèse organique, de la chimie médicinale et des maladies infectieuses.

Rôle de l'étudiant du site REU : Le participant sera exposé aux techniques de laboratoire modernes pour préparer et caractériser les quinazoline-2,4-diamines N2,N4-disubstituées, qui seront envoyées aux laboratoires collaborateurs pour être testées pour les antibactériens (Prof. Lindsey N. Shaw à l'Université de Floride du Sud) et l'activité antileishmanienne (Prof. Dennis E. Kyle à l'Université de Géorgie, Athènes). De plus, le participant effectuera des tests basés sur HPLC pour déterminer expérimentalement les propriétés physico-chimiques telles que la solubilité aqueuse et le logD à différentes valeurs de pH. Cette recherche fournira au participant une plate-forme pour apprendre et maîtriser les techniques de base associées à la chimie de synthèse (CCM, chromatographie flash sur colonne, HPLC préparative, caractérisation des composés par IR, 1H- et 13C-RMN et spectrométrie de masse) ainsi que la chimie analytique (échantillon préparation, HPLC analytique avec détection de composés par un détecteur à barrette de diodes et/ou un détecteur quadripolaire unique de masse).

Ras et GTPases associées - Structure, biochimie et fonction

Ras et GTPases associées – structure, biochimie et fonction : La superfamille des GTPases représente une classe de catalyseurs de signalisation de la nature, qui comprend cinq sous-familles distinctes : Ras, Rho, Ran, Rab et Arf. Ces protéines fonctionnent comme des commutateurs qui touchent collectivement à pratiquement tous les aspects de la fonction cellulaire. Le Mattos Lab a découvert un mécanisme de commutation allostérique où la liaison de l'acétate de calcium à un site allostérique sur la surface interagissant avec la membrane de Harvey-Ras (H-Ras) favorise un changement dans Helix3/Loop7 qui permet un vaste réseau de H- à médiation par l'eau. interactions de liaison résultant en un ordre complet du site actif. Nous avons lié le mécanisme de commutation allostérique à la signalisation via l'effecteur Raf Kinase et avons découvert plus récemment que la dimérisation de Ras est favorisée en présence de Raf et d'imitateurs de groupe de tête de phospholipides membranaires. Nous testons actuellement l'effet de la dimérisation sur la catalyse du GTP en GDP sur Ras en l'absence de protéines régulatrices. Nous étudions également la modulation allostérique dans Rho et Arf pour une comparaison des effets sur la réaction d'hydrolyse du GTP à travers la superfamille Ras. Pour cela, nous utilisons des mutations pour perturber le mécanisme de commutation allostérique. Nous combinons des expériences cinétiques avec la cristallographie aux rayons X, des simulations SAXS et MD du type sauvage et des protéines mutantes pour obtenir une vue mécaniste du fonctionnement des membres de la superfamille Ras au niveau moléculaire.

Rôle de l'étudiant du site REU : Les étudiants d'été de REU utiliseront la PCR pour effectuer des mutations en Ras, Rho ou Arf. Ils exprimeront ensuite la protéine mutante dans E. coli et utiliseront la chromatographie d'échange d'ions et de filtration sur gel pour purifier leur mutant. Ces mutants cristallisent normalement facilement dans des conditions similaires à celles utilisées pour obtenir des cristaux de type sauvage et donc les étudiants auront l'opportunité de résoudre leurs structures. Les étudiants seront exposés aux techniques de base de la biochimie en laboratoire, à la collecte et au traitement des données radiographiques, et apprendront de première main comment le site actif d'une enzyme favorise la catalyse.

Permettre un transfert de charge efficace à une interface électrochimique

Les étudiants participant à ce programme REU seront immergés dans divers aspects de la science des matériaux électrochimiques et des aspects fondamentaux des relations de propriété de structure. Les étudiants participeront à divers projets en cours financés par le US DOE et le US DOD. L'un d'eux concerne l'électrocatalyse du dégagement/oxydation de l'hydrogène sous l'égide de l'initiative US DOE HydroGen. L'objectif global est de permettre des générateurs d'hydrogène durables utilisant des énergies renouvelables permettant le déploiement de véhicules à piles à combustible comme solution ultime à l'électrification de notre système de transport. Les étudiants participeront également à nos efforts pour développer de nouvelles alternatives à la catalyse aux métaux nobles pour la réduction de l'oxygène financés sous l'égide de l'initiative américaine DOE appelée ElectroCat. Ces deux projets impliquent un large éventail d'activités, notamment le calcul de voies électrocatalytiques, la spectroscopie in situ et operando à l'aide d'une source de lumière synchrotron, des mesures électrochimiques dans des conditions statiques et dynamiques et des tests de dispositifs réels. Des initiatives de science fondamentale liées à (a) l'amélioration plasmonique de l'électrocatalyse sont également disponibles. Ici, la spectroscopie laser avancée et la spectroscopie Raman améliorée à la pointe nouvellement financée sont exploitées pour comprendre les processus liés à l'injection de charges et ses effets sur l'électrocatalyse, (b) faire avancer les limites de la détection électrochimique via le nano-confinement des canaux ioniques. Nous repoussons les limites d'une telle détection dans le domaine biomédical pour permettre des capteurs déployables sur le terrain peu coûteux.

L'étudiant d'été de REU participera à la synthèse chimique d'électrocatalyseurs, à la mesure spectroscopique du transfert de charge électrochimique, à l'assemblage et aux tests de dispositifs.

Synthèse Organique/Chimie Médicinale des Glucides et Produits Naturels

L'objectif de ce programme de recherche combiné en chimie synthétique et médicinale est le développement de nouvelles méthodologies de synthèse asymétrique pour la synthèse et les évaluations biomédicales de molécules aux propriétés antimicrobiennes et anticancéreuses. Les chercheurs de premier cycle (80 au total/20 ans/7 NSF-REU) ont apporté des contributions substantielles à tous les aspects de ces enquêtes, de nos premières à nos dernières études synthétiques (J. Org. Chem. 1999, 64, 2982-2983 Org. Lett . 2016, 18, 4970–4973), ainsi que l'une de nos études biomédicales les plus récentes (ACS Med. Chem. Lett. 2015, 16, 95–99.). À ce jour, nous avons développé une solide expérience synthétique dans l'utilisation de la catalyse asymétrique pour la synthèse de molécules naturelles et non naturelles stéréochimiquement complexes et biologiquement actives, qui sont évaluées (en interne) pour leurs activités anticancéreuses et antimicrobiennes. Par conséquent, les étudiants de premier cycle de ce programme recevront une formation interdisciplinaire à l'interface de la synthèse, de la chimie médicinale et de la microbiologie.

Rôle des étudiants du site REU : les participants développeront une nouvelle voie vers un nouveau motif structurel (par exemple, un sucre rare), dans le but plus large d'explorer la relation structure-activité d'un produit naturel biologiquement important. Ce projet donnera aux étudiants l'occasion de perfectionner leurs compétences et de maîtriser les techniques associées à la synthèse de molécules complexes et à l'évaluation biologique, telles que la manipulation de réactions sensibles à l'air, la purification de composés (par exemple, TLC, HPLC et chromatographie flash), la caractérisation de composés (par exemple , 1H et 13C RMN, IR, MS, rotation optique) et analyses de lignées cellulaires (par exemple, MTT, apoptose, activité antibactérienne).

Résidus distaux dans la catalyse enzymatique et la conception de protéines

Ce projet examine le rôle des résidus distaux et des propriétés électrostatiques dans la catalyse enzymatique, en mettant l'accent sur la façon dont ils doivent être pris en compte dans la conception enzymatique et l'ingénierie des protéines. Nous avons développé et vérifié des méthodes de calcul qui, compte tenu de la structure 3D d'une protéine, prédisent les résidus impliqués dans la catalyse et la liaison du ligand. Alors que la plupart des études biochimiques des mécanismes enzymatiques se concentrent sur les résidus en contact direct avec la molécule substrat ou le ligand (résidus « first-shell »), il y a également eu des rapports par d'autres et par nous (Brodkin, HR, NA DeLateur, S. Somarowthu , CL Mills, WR Novak, PJ Beuning, D. Ringe et MJ Ondrechen, Prediction of Distal Residue Participation in Enzyme Catalysis. Protein Sci. 2015. 24 : p. 762-778) de participation significative à la catalyse par des résidus en dehors du premier coquille, mais ces effets sont mal compris. Alors que nous découvrons des détails sur la façon dont la nature construit des catalyseurs protéiques, nous établissons les meilleures pratiques pour la conception d'enzymes. L'objectif à long terme est de concevoir des enzymes pour catalyser des réactions chimiques industrielles avec moins de consommation d'énergie et moins de sous-produits indésirables que la catalyse conventionnelle. Les objectifs de ce projet sont de : 1) Étudier les couplages entre les résidus qui favorisent l'activité enzymatique en utilisant à la fois des approches computationnelles (électrostatiques et dynamiques) et expérimentales (mutagenèse dirigée, essais cinétiques et diffusion de solution aux rayons X) 2) Développer des approches pour manipuler l'activité enzymatique dans les enzymes naturelles et conçues 3) Utiliser les ADN polymérases de la famille Y et les enzymes rétroaldolases conçues comme exemples de prototypes pour l'analyse informatique, le développement et les tests expérimentaux de nouveaux principes de conception d'enzymes.

Rôle des étudiants du site REU : Les étudiants de premier cycle participeront à des études informatiques des résidus dans et à proximité du site actif d'enzymes naturelles et conçues. En collaboration avec un mentor étudiant au doctorat, ils chercheront des modèles dans les propriétés chimiques et électrostatiques calculées et leur relation avec les propriétés catalytiques. Les étudiants de REU travailleront également sur la conception informatique des enzymes, en utilisant des prédicteurs de la stabilité du pli, l'amarrage des molécules de substrat, l'électrostatique des protéines et d'autres outils informatiques. Ils auront également la possibilité d'exprimer et de purifier des séquences protéiques et de tester l'activité catalytique.

Cible réaffectation des inhibiteurs de la kinase humaine en tant qu'agents antitrypanosomiens

L'objectif de ce projet est d'appliquer une combinaison de chimioinformatique, de modélisation moléculaire et de conception de chimie médicinale, couplée à une synthèse organique préparatoire, pour comprendre les relations structure-activité des classes de composés qui interagissent avec les kinases essentielles (catalyseurs de signalisation de la nature) des parasites trypanosomatides. (comme Trypanosoma brucei, T. cruzi et Leishmania spp.). L'évaluation biologique de ces composés est réalisée dans des laboratoires collaborateurs de l'Université de Géorgie (Prof. Kojo Mensa-Wilmot) et du Walter Reed Army Institute for Research (Dr Richard Sciotti). Notre laboratoire a mis en place une solide infrastructure de conception, de synthèse et de purification qui utilise des technologies de pointe à haut débit, et nous avons mis en œuvre des approches à forte intensité informatique pour la conception moléculaire.

Rôle des étudiants du site REU : Les étudiants REU recevront une formation interdisciplinaire en chimie, chimie médicinale, séparations et sciences analytiques, chimie computationnelle et chimie, et parasitologie. Plus précisément, ils participeront à la synthèse organique, à l'analyse de données en chimie, à la modélisation moléculaire et à la conception de la chimie médicinale.

Devenir et impact des microplastiques dans les eaux naturelles

Les microplastiques, des particules de plastique d'une taille inférieure à 5 mm, se trouvent maintenant dans presque toutes les eaux naturelles, de l'eau potable aux rivières, lacs et ruisseaux, et les océans. On estime que 8 millions de tonnes de déchets plastiques pénètrent dans les océans chaque année, mais seule une fraction de ce matériau peut être trouvée en mer. Une hypothèse pour les « plastiques manquants » est que l'exposition au soleil les dissout. Vous testerez si la photochimie induite par la lumière du soleil libère du carbone organique dissous (COD) des plastiques, éliminant essentiellement les plastiques de l'eau. Nous testons également si les produits chimiques libérés sous forme d'interactions entre les plastiques et la lumière du soleil affectent la croissance bactérienne et la santé dans les eaux naturelles. Les résultats amélioreront la compréhension de base du devenir des plastiques dans les eaux naturelles, les impacts des microplastiques sur les micro-organismes et éclaireront les décisions sur la façon de prioriser la gestion des déchets plastiques.

Rôle des étudiants du site REU : Les étudiants de REU recevront une formation interdisciplinaire en chimie analytique, photochimie et chimie environnementale. Plus précisément, ils mèneront des expériences photochimiques avec des plastiques. Les étudiants analyseront ensuite les plastiques pour quantifier la photo-oxydation des plastiques via la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la vitesse à laquelle les plastiques se dissolvent sous la lumière du soleil en mesurant la production de carbone organique dissous et la perte de carbone plastique.

Nanoparticules hybrides polyvalentes pour l'immunomodulation

Les thèmes généraux de cette recherche comprennent la chimie des polymères, la science des matériaux et la bio-nanotechnologie, qui sont tous étayés par la chimie organique. En utilisant une gamme de catalyseurs de polymérisation, de synthèses colloïdales et de techniques de bioconjugaison, nous explorons l'interface de la chimie avec la biologie et la science des matériaux en créant des nanostructures fonctionnelles et hiérarchiques à partir de matériaux de départ relativement simples. Plus précisément, nous aborderons le défi : est-il possible, grâce à une modification minutieuse de l'ADN et à une conception de polymère, de créer de nouvelles entités qui fournissent des oligonucléotides avec une sélectivité stérique, de sorte que l'accès des protéines à l'acide nucléique est entravé mais que l'hybridation n'est pas affectée ? Un élément important de cette recherche est la synthèse de brosses polymères bien définies de faible polydispersité, de longueur et de placement précis des groupes fonctionnels et de densité contrôlée, en utilisant des réactions de polymérisation radicalaire par transfert d'atomes catalysées par Cu et des polymérisations par métathèse par ouverture de cycle catalysées par Ru. La conception et la synthèse de ces polymères seront guidées par des méthodologies établies et permettront aux étudiants de premier cycle de comprendre les bases des réactions de polymérisation, de perfectionner leurs compétences expérimentales et de défier leurs capacités de résolution de problèmes. En plus d'acquérir de l'expérience dans les synthèses de polymères, les étudiants de premier cycle seront également exposés à des sciences interdisciplinaires, notamment la nanotechnologie et les biosciences.

Rôle de l'étudiant du site REU : Tous les étudiants REU recevront une formation en chimie des polymères, qui inclura le développement des compétences requises pour la synthèse, la purification et l'analyse des polymères à l'aide d'outils avancés tels que GPC, MALDI-TOF et TEM. De plus, en fonction de leur intérêt, les étudiants de REU acquerront une expérience pratique des techniques de bioconjugaison, de la synthèse d'acides nucléiques, de la culture cellulaire et/ou des tests biologiques tels que le western blot, l'électrophorèse sur gel, qPRC, ELISA et le test de toxicité MTT.

Développement de méthodologies chimio-enzymatiques pour fonctionnaliser spécifiquement les protéines

Les protéines jouent des rôles essentiels et divers dans la régulation biologique et le développement de la maladie. Beaucoup de leurs fonctions sont modulées par des modifications chimiques. La modulation (par exemple, via une fonctionnalisation spécifique chimio-enzymatique) et la caractérisation de ces processus faciliteront grandement la compréhension des mécanismes fondamentaux en biologie et la découverte de nouveaux biomarqueurs pour le diagnostic des maladies. Nous concevons une nouvelle chimie des protéines, qui catalysent des réactions spécifiques à des types particuliers d'acides aminés modifiés pour permettre un marquage d'affinité sélectif et un marquage de masse. Différent du catalyseur organique typique, notre chimie des protéines doit être menée en milieu aqueux et dans des conditions douces. Néanmoins, nous formulons d'abord de nouvelles idées en examinant de manière critique les conditions des réactions organiques traditionnelles. Ensuite, nous optimisons les transformations appropriées en étudiant les mécanismes de réaction à l'aide d'approches organiques physiques. Enfin, nous validons nos méthodologies en analysant des échantillons biologiques avec la spectrométrie de masse des protéines et d'autres techniques protéomiques.

Rôle des étudiants du site REU : Les étudiants de premier cycle participeront à tous les aspects de ce projet. Compte tenu de la nature interdisciplinaire de nos recherches, les étudiants apprendront un large éventail de techniques en chimie analytique, organique et des protéines ainsi qu'en biochimie, telles que la chromatographie liquide, la spectrométrie de masse des protéines, la synthèse organique, la purification par affinité, l'expression des protéines et les tests enzymatiques. .

Matériaux vivants d'ingénierie

Mon groupe travaille à l'interface de la biologie synthétique et de la science des matériaux afin de programmer des microbes pour fabriquer des matériaux. Les microbes sont déjà utilisés depuis des siècles comme usines cellulaires pour la production de divers médicaments, produits alimentaires et produits chimiques de base. Notre objectif est d'utiliser des outils modernes de génie génétique pour utiliser des microbes comme usines de fabrication - capables non seulement de produire des composants solubles, mais aussi d'orchestrer de manière coopérative leur assemblage dans des structures d'ordre supérieur. Certains de nos travaux se concentrent sur le développement de base des plates-formes cellulaires, génétiques et basées sur les biomolécules qui rendent cela possible. Des projets plus axés sur les applications en laboratoire visent à déployer ces systèmes cellulaires modifiés à des fins thérapeutiques (en particulier dans l'intestin), dans la fabrication (par exemple, les bioplastiques) et pour la bioremédiation et l'extraction de ressources (par exemple, la purification de l'eau).

Les étudiants qui rejoignent le laboratoire peuvent s'attendre à être formés aux techniques de base du génie génétique microbien et à la caractérisation des protéines et des matériaux. Les étudiants de REU travaillent généralement en étroite collaboration avec un étudiant diplômé ou un mentor postdoctoral sur un projet existant lié à l'un de ces domaines, souvent orienté vers de nouvelles expériences de validation de principe.

Développement de médicaments ciblant les GPCR de la sérotonine

Le laboratoire Booth se concentre sur le développement de médicaments ciblant les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) de la sérotonine (5-hydroxytryptamine, 5-HT). En plus de la conception et de la synthèse basées sur la structure de nouvelles entités chimiques, la technologie de découverte de médicaments en laboratoire comprend la chimie computationnelle et la modélisation moléculaire, la pharmacologie moléculaire, les études d'imagerie cérébrale par IRMf, ainsi que des modèles cellulaires et précliniques de rongeurs et de primates pour évaluer l'efficacité du médicament. candidats pour les troubles liés à l'utilisation de substances, les troubles du spectre autistique, les maladies inflammatoires de l'intestin, les troubles épileptiques, les troubles anxieux et les psychoses. Par exemple, les projets actuels financés par le NIH et le DOD se concentrent sur le développement de médicaments à base de GPCR à base de sérotonine pour traiter la dépendance aux opioïdes et l'autisme, et des études en collaboration avec Pfizer impliquent le développement d'une pharmacothérapie à base de sérotonine pour les maladies inflammatoires de l'intestin. En collaboration avec le Dr Craig Ferris (Northeastern Depts. Psychology and Pharmaceutical Sciences), des études d'imagerie cérébrale par IRMf sont en cours pour identifier les régions cérébrales associées aux effets de nouveaux médicaments candidats pour traiter la dépendance aux opioïdes et les symptômes de sevrage chez les singes.

Principes de conception bio-inspirés pour les catalyseurs à travers des simulations multi-échelles

L'objectif global de cette recherche est de comprendre les avantages uniques des enzymes dans le contrôle des réactions chimiques et d'utiliser cette compréhension pour concevoir des catalyseurs non biologiques pour des applications en biomédecine et en durabilité. Cette recherche est interdisciplinaire et combine l'expertise de notre groupe en chimie quantique, mécanique statistique, simulations multi-échelles, apprentissage automatique, dynamique des protéines, modélisation des matériaux, chimie inorganique et catalyse. Les étudiants de premier cycle seront exposés à une gamme de méthodes couvrant différents domaines de la chimie physique computationnelle et apprendront comment ces méthodes peuvent être combinées pour étudier des systèmes chimiques complexes.

Rôle des étudiants du site REU : Les étudiants de REU recevront une formation interdisciplinaire en chimie. Ils acquerront de l'expérience en utilisant la chimie physique et une variété de méthodes de calcul pour répondre aux questions de recherche en catalyse.


Vous marchez sur le trottoir et vous tombez sur une plaque de glace. Vous ne le voyez pas venir, alors vous perdez l'équilibre et tombez durement au sol avec votre coude supportant le plus gros de l'impact. Bien que vous vous releviez tout de suite, une énorme éraflure saignante sur votre coude reste un "souvenir indésirable" de l'ignoble plaque de glace. Avec quelques premiers soins rapides, vous pansez la plaie pour prévenir l'infection, et environ deux à trois semaines plus tard, vous oubliez l'éraflure au fur et à mesure qu'elle se résout. Une question déroutante de ce scénario commun est de savoir comment cette blessure (ou n'importe quelle blessure d'ailleurs) guérit-elle ? La réponse est qu'il s'agit d'un processus complexe qui n'est pas complètement compris. Ce processus coordonne de nombreux types de cellules (provenant de divers endroits du corps) pour affecter la réponse de guérison. Dans cet article, nous approfondirons un peu ce que l'on sait de ce processus étonnant, en nous concentrant spécifiquement sur la peau et sur la manière dont le système immunitaire est impliqué dans la stérilisation des plaies et la réparation des tissus.

Phases de la réponse de cicatrisation

Lorsque votre coude a touché le sol, le stress mécanique de l'impact a endommagé vos deux couches primaires de peau, l'épiderme et le derme, et a perturbé les vaisseaux sanguins sous-jacents, ce qui vous a fait saigner. Comment votre corps a-t-il pris soin de la plaie si efficacement ? Il existe quatre phases de cicatrisation : les phases 1) hémostase 2) inflammation 3) prolifération et 4) phases de remodelage[1]. Dans la première phase, les plaquettes (cellules sanguines essentielles à la formation de caillots) s'agrègent sur le site endommagé et initient la formation de caillots pour empêcher la perte de sang et créer une couverture temporaire qui protège de l'environnement extérieur. Ce revêtement est communément appelé croûte. Alors que les plaquettes s'agrègent ensemble, elles sécrètent également des facteurs qui recrutent d'autres cellules immunitaires, et ces facteurs initient la phase inflammatoire.

Les cellules immunitaires sont les principaux orchestrateurs de la guérison

La rougeur et l'enflure qui suivent la phase d'hémostase résultent de la dilatation des vaisseaux sanguins locaux pour permettre aux cellules immunitaires de pénétrer dans le site endommagé. Les premiers intervenants sont des cellules appelées neutrophiles et celles-ci éliminent les matières étrangères et les bactéries de la plaie.

La prochaine vague de cellules immunitaires à arriver sur les lieux comprend les monocytes. Ces cellules résident normalement dans la rate et la moelle osseuse et peuvent être mobilisées en réponse à une blessure ou à une infection. Une fois dans la plaie, ces cellules peuvent se différencier en cellules appelées macrophages, qui coordonnent la réponse de cicatrisation. Les macrophages peuvent être considérés comme les « travailleurs de la construction » du système immunitaire. Ils nettoient le site endommagé des débris afin de jeter les bases de la réparation des tissus. Ces cellules étaient à l'origine décrites comme leur nom l'indique comme de « gros mangeurs » (macro = gros, phage = manger). Ils utilisent leur capacité de « consommation » pour nettoyer le site avant la réparation. Cela jette les bases de la phase de prolifération où les macrophages résolvent la phase inflammatoire et se déplacent vers la réparation des tissus.

En phase proliférative, ces macrophages « réparateurs » contribuent à favoriser la reconstruction de la matrice extracellulaire du tissu, un échafaudage biologique pour les cellules qui formeront de nouveaux tissus, en produisant le facteur de croissance des fibroblastes. Le facteur de croissance des fibroblastes favorise la croissance de cellules appelées fibroblastes qui réparent ensuite la matrice extracellulaire. Les fibroblastes produisent les composants précurseurs de la matrice extracellulaire qui, une fois assemblés, fourniront une structure au tissu. Cette matrice est temporaire et est remplacée par une matrice plus solide en phase de remodelage. Une fois cette matrice réparée, les macrophages peuvent favoriser la croissance des cellules de la peau qui remplissent la zone précédemment blessée. Les fibroblastes à l'intérieur de ce site se différencient également en myofibroblastes qui ressemblent à des cellules musculaires. Ces myofibroblastes ferment la plaie en se contractant de la même manière que les muscles se contractent. Il en résulte une fermeture définitive de la plaie, empêchant l'exposition à l'environnement extérieur.

La formation de nouveaux vaisseaux sanguins, si la plaie est suffisamment profonde pour perturber le système vasculaire, est également guidée par les macrophages dans un processus appelé angiogenèse. Les macrophages sécrètent des protéines telles que le facteur de croissance transformant b1 (TGF-b1) et le facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF) pour recruter les cellules qui forment les vaisseaux sanguins, puis modéliser leur croissance [2].

Figure 1. Schéma d'une plaie perturbant les couches épidermiques et dermiques. Le diagramme circulaire central illustre la cinétique typique de la réponse de guérison et illustre les types de cellules impliquées. Le cycle commence à la formation de caillots sanguins et se termine à la réépithélialisation complète. MEC=matrice extracellulaire [3]

Résolution de la plaie et des complications du diabète

La dernière phase de la cicatrisation est le remodelage tissulaire, qui peut persister pendant des semaines, voire des mois. Dans cette phase, les macrophages du site meurent progressivement, ou migrent, et la matrice extracellulaire est remodelée pour une utilisation à long terme. Bien que la plaie soit fermée à ce stade, le tissu n'est pas complètement revenu à la normale. La matrice extracellulaire hâtivement déposée par les fibroblastes en phase proliférative n'a pas vocation à être permanente. Sa production et la fermeture rapide de la plaie qui l'accompagnait ne sont que des mesures provisoires pour prévenir la perte de sang et l'infection. Le remodelage de la matrice extracellulaire dans cette phase fonctionne pour fournir une résistance à la traction supplémentaire à la nouvelle peau et augmenter ses propriétés de barrière. Dans la plupart des cas, les réponses de guérison accélérées peuvent être sujettes à la formation de tissu cicatriciel, qui est une accumulation de fibroblastes et de composants de la matrice extracellulaire au sein du site de la plaie.

Certaines conditions médicales, par exemple le diabète ou l'immunosuppression, peuvent avoir des effets négatifs sur la réponse de cicatrisation. En plus de l'hyperglycémie, la circulation sanguine périphérique est souvent obstruée dans le diabète. Ce flux sanguin réduit entrave la réponse de cicatrisation de la plaie probablement en empêchant des cellules telles que les plaquettes et les monocytes de pénétrer dans la plaie. Les patients diabétiques présentant des plaies chroniques, généralement sous la forme d'ulcères, sont confrontés à un risque d'infection nettement plus élevé et les membres infectés doivent souvent être amputés pour empêcher la propagation de l'infection.

Le système immunitaire joue un rôle crucial dans le processus de cicatrisation des plaies. Cet article ne fait qu'effleurer la surface de ce que le système immunitaire peut faire. Il existe de nombreuses différences cellulaires et moléculaires entre les plaies aiguës (normales) et chroniques, et de nombreux facteurs critiques peuvent être absents ou en quantités insuffisantes dans une réponse de cicatrisation chronique. Une compréhension plus complète des éléments impliqués dans la réponse de guérison nous permettra de créer de nouvelles thérapies, telles que le remplacement du facteur de croissance ou les baumes cicatrisants à base de cellules, pour traiter les plaies chroniques. Cela s'avérera utile car les taux de plaies chroniques augmenteront par rapport à l'épidémie de diabète à laquelle notre population est actuellement confrontée. Avec tout cela à l'esprit, peut-être que la prochaine fois que vous vous gratterez le genou ou le coude, vous comprendrez mieux à quel point le processus de guérison est complexe et combien il est important pour le maintien de la santé.

Christopher Garris est un étudiant diplômé du programme d'immunologie de la Harvard Medical School.

Les références

[1] Nguyen, DT, et. Al. “Chapitre 4 : La base physiopathologique de la cicatrisation des plaies et de la régénération cutanée.” Biomatériaux pour le traitement de la perte de peau. pp25-57. (2009).

[2] Delavary, DM et al. “Macrophages dans les lésions et réparations cutanées.” Immunobiologie. 216 : 753-762. (2011).


Voir la vidéo: Conférence intégrale: la loi dattraction avec Gabin Bellet (Août 2022).