Exposition au froid et production de protéines chez C. elegans

L'hibernation implique souvent une grosse baisse de la production de Protéines chez de nombreux animaux. Par exemple, certaines protéines liées à la traduction du code génétique sont réduites. Cette diminution se produit chez différentes espèces, y compris les humains, lorsqu'ils sont exposés à des températures froides. Pendant ce temps, certains gènes spécifiques continuent d'être exprimés, ce qui soulève des questions sur la façon dont cela se produit malgré la réduction générale de la synthèse des protéines.

Traditionnellement, on a étudié l'hibernation chez des animaux comme les écureuils, les chauves-souris et les ours. Cependant, des organismes plus simples, comme le nématode C. elegans, peuvent fournir des informations précieuses. Ces petits vers vivent dans des régions tempérées et peuvent supporter des périodes de froid dans leur environnement naturel. Dans des conditions de laboratoire contrôlées, ces vers peuvent soit mourir de congélation rapide, soit entrer dans un état de dormance ressemblant à l'hibernation lorsqu'ils sont refroidis lentement. Notamment, pendant cette hibernation, C. elegans montre un ralentissement du vieillissement, similaire à certaines caractéristiques observées chez les mammifères pendant l'hibernation. Cela suggère que l'étude des C. elegans peut nous aider à comprendre les réponses cellulaires de base au froid.

Dans notre recherche, nous avons découvert que C. elegans, tout comme les animaux hibernants, réduisent la production globale de protéines lorsqu'ils sont exposés au froid. La traduction de certains ARNm, les molécules qui portent les instructions pour fabriquer des protéines, est corrélée avec leurs quantités. Cela suggère que la manière dont les gènes s'expriment en réponse au froid est principalement contrôlée par leur transcription, ou le processus de copie de l'ADN en ARN. Nous nous sommes concentrés sur un gène spécifique, lips-11, qui est lié aux protéines impliquées dans la réponse au stress dans la cellule. En utilisant C. elegans, nous avons observé que le froid active une voie spécifique de réponse au stress qui aide les cellules à gérer les problèmes causés par les basses températures.

#Observations de la Synthèse des Protéines dans des Conditions Froides

De nombreuses études montrent que le refroidissement des cellules ou des organismes conduit presque universellement à une réduction de la production de protéines. Pour voir si cela s'applique à C. elegans, nous avons utilisé une méthode où nous avons refroidi progressivement les vers puis surveillé leur synthèse protéique à des températures variées. Nous avons utilisé deux techniques : une pour séparer les ARNm selon le nombre de ribosomes attachés et une autre qui mesure la nouvelle synthèse protéique en détectant une molécule intégrée dans de nouvelles protéines.

Lorsque nous avons examiné les résultats, nous avons remarqué que C. elegans montrait une perte significative de complexes de traduction de protéines actifs lorsqu'ils étaient exposés à des températures froides, ce qui signifie que moins de ribosomes travaillaient à produire des protéines. De plus, nous avons vu une chute spectaculaire de l'incorporation du marqueur de nouvelle synthèse protéique dans les vers qui avaient été refroidis. Dans l'ensemble, ces résultats s'alignent avec ce qui a été observé chez d'autres animaux, indiquant que le refroidissement sévère entraîne une réduction globale de la production de protéines chez C. elegans.

#Régulation de l'Expression des Gènes au Froid

Bien que la production totale de protéines diminue dans des conditions froides, certains gènes peuvent toujours être exprimés, un phénomène qui nécessite d'être davantage examiné. Nous avons analysé le processus de traduction des protéines et les niveaux d'ARNm. Au départ, lorsque nous avons déplacé les vers d'une température plus élevée à une température légèrement plus fraîche, nous avons remarqué seulement un petit changement dans la traduction des protéines. Cependant, passer à des conditions encore plus froides a entraîné des changements plus significatifs. La plupart des ajustements de traduction se sont produits durant le premier jour d'exposition au froid.

Nos découvertes ont montré une connexion étroite entre les niveaux de certains ARNm spécifiques et leur traduction en protéines. Cela suggère que même si la synthèse protéique diminue dans l'ensemble, la traduction de certains ARNm peut encore se produire si leurs niveaux restent élevés, bien que certains transcrits aient été traduits moins malgré des niveaux d'ARNm élevés. Cela pointe vers des mécanismes spécifiques qui peuvent réduire la traduction sans affecter les quantités d'ARNm de départ. Parmi ceux-ci, il y avait une observation surprenante : plusieurs des transcrits liés aux lipides, qui aident à maintenir la fonction de la membrane cellulaire, étaient traduits moins malgré des niveaux d'ARNm inchangés.

#Le Rôle de l'IRE-1 dans l'Expression des Gènes

Fait intéressant, nous avons découvert que l'expression accrue de lips-11 dans des conditions froides se produit via une voie de signalisation appelée l'UPR, en particulier son composant IRE-1. L'UPR est une réponse au stress cellulaire qui aide à gérer les problèmes de repliement et de traitement des protéines dans le réticulum endoplasmique (RE). Nous avons découvert que l'expression du gène lips-11 augmentait non seulement en réponse au froid, mais aussi lorsque les vers étaient traités avec un produit chimique qui induit l'UPR.

En réalisant d'autres expériences, nous avons confirmé que l'expression de lips-11 dans des conditions froides dépend d'IRE-1. Lorsque nous avons inhibé l'activité d'IRE-1, l'expression du gène lips-11 a chuté de manière significative. XBP-1, un facteur de transcription activé par IRE-1, s'est également révélé crucial pour cette réponse.

#Observation du Stress du RE au Froid

Étant donné que l'activation d'IRE-1 suggère un stress du RE, nous avons mené des expériences supplémentaires pour le confirmer. Nous avons utilisé un reporter UPR spécifique qui suit l'expression d'un gène lié à la réponse au stress du RE. Ce reporter a indiqué que l'exposition au froid augmentait l'expression de ce gène de réponse au stress au fil du temps. D'autres marqueurs liés au stress dans les mitochondries ont également été évalués, mais ils n'ont pas montré d'augmentation de l'expression dans des conditions froides, suggérant que le froid impacte principalement le RE et non les mitochondries.

Bien que nous ayons trouvé que la voie IRE-1 semblait principalement activée par le froid, nous avons également exploré si d'autres parties de l'UPR pourraient être impliquées. Nos résultats ont indiqué une augmentation de certains gènes cibles de l'UPR, principalement ceux liés à la voie IRE-1, suggérant qu'elle joue un rôle crucial dans la réponse au froid.

#Homéostasie des Lipides et Activation de l'UPR

Le stress dû à l'exposition au froid pourrait découler de problèmes liés au repliement des protéines et des déséquilibres dans la composition lipidique au sein du RE. Nous avons testé cela en utilisant un reporter qui montre les niveaux de repliement des protéines. Après une journée dans des conditions froides, nous avons observé une légère augmentation des protéines mal repliées, mais les niveaux sont revenus à la normale après quelques jours. Cela suggère que le stress initial dû au repliement des protéines pourrait ne pas persister, ce qui laisse entendre que d'autres facteurs peuvent contribuer au stress continu du RE pendant une exposition prolongée au froid.

Les déséquilibres lipidiques peuvent également favoriser l'activation de l'UPR. Dans nos expériences, nous avons découvert que la voie IRE-1 répond à des changements dans les structures lipidiques, en particulier en ce qui concerne les niveaux de phosphatidylcholine et de phosphatidyléthanolamine. Pour tester si des changements diététiques pouvaient influencer l'UPR induite par le froid, nous avons complété l'alimentation des vers avec certains acides gras et de la choline, un élément essentiel pour fabriquer de la phosphatidylcholine.

Nos résultats ont montré que l'ajout d'acides gras n'a pas modifié l'expression des gènes de réponse au stress induite par le froid. En revanche, un complément de choline a réduit l'expression de lips-11 et d'autres reporters de réponse au stress dans des conditions froides. Cela suggère que l'activation de l'UPR induite par le froid est plus influencée par les niveaux de choline et de phosphatidylcholine que par des graisses insaturées.

#Importance d'IRE-1 pour la Survie au Froid

L'activation de la voie IRE-1 soulève des questions sur son rôle dans la réponse au froid. Nous avons hypothétisé qu'elle pourrait améliorer la survie des vers dans des conditions froides. Pour tester cela, nous avons créé une souche mutante dépourvue d'IRE-1 fonctionnel et avons constaté que ces vers avaient du mal à survivre dans des environnements froids par rapport à leurs homologues normaux. Cela indique que la voie de signalisation IRE-1/XBP-1 contribue à la survie de C. elegans lors du stress froid.

Bien que les preuves pointent vers l'importance d'IRE-1, réduire l'expression du gène lips-11 ne semblait pas affecter la survie au froid. Cela suggère que, bien que lips-11 puisse être une cible d'IRE-1, d'autres gènes activés par cette voie sont probablement vitaux pour la stratégie de survie au froid.

#Conclusion

Nos découvertes montrent que C. elegans affiche une réduction globale de la synthèse des protéines lorsqu'ils sont exposés à un froid sévère, reflétant d'autres modèles animaux. Diminuer la synthèse des protéines aide à préserver l'énergie dans ces environnements froids. Bien que la production globale de protéines diminue, de nombreux ARNm spécifiques restent traduits, ce qui suggère que la transcription joue un rôle critique dans la régulation de l'expression des gènes sous des conditions froides.

Nous avons découvert que la voie IRE-1/XBP-1 influence significativement l'expression de certains gènes réactifs au froid, y compris lips-11. Fait intéressant, cette voie semblait principalement activée par le stress lié au RE plutôt que par le stress cellulaire général.

De plus, notre recherche suggère que les effets du froid sur la production de protéines et l'équilibre lipidique sont complexes, avec des implications qui vont au-delà des C. elegans. Comprendre comment le froid active des voies cellulaires pourrait éventuellement éclairer des pratiques médicales, en particulier dans les techniques d'hypothermie thérapeutique utilisées pour protéger le cerveau et le cœur lors de procédures médicales.