Approches expérimentale et de modélisation de la signalisation calcique dans les cellules

Abstract

Jusqu'à très récemment, les biologistes mesuraient la concentration d'une protéine ou la vitesse de transformation d'un métabolite par exemple à partir de populations cellulaires. L'extraordinaire développement de nouvelles techniques d'imagerie (microscopie confocale, fluorescence resonance energy transfer [FRET], fluorescence recovery after photobleaching [FRAP], etc.), combiné à l'utilisation de sondes fluorescentes performantes, de protéines chimères (green fluorescent protein [GFP], DsRed, etc.) ou de nanocristaux (quantum dots) permet actuellement une approche quantitative et dynamique de la biologie d'une seule cellule, et rend possible l'analyse par exemple de l'expression spécifique d'un gène ou de la variation d'un flux méta-bolique. Ces approches révèlent dans bien des cas une assez grande hétérogénéité spatiale, mais aussi temporelle, rappelant, si besoin est, que les cellules sont des entités extrêmement dynamiques [1]. De manière plus inattendue, ces observations à l'échelle cellulaire mettent aussi en évidence le caractère aléatoire (stochastique) des événements moléculaires individuels. Le biologiste est dès lors confronté à de nouvelles questions : comment des événements qui se produisent sur > Les signaux calciques sont organisés dans le temps et dans l'espace, ce qui leur permet d'assurer une signalisation cellulaire spécifique et robuste. En réponse à une stimulation, la concentration nanomolaire du signal Ca 2+ peut augmenter de plusieurs dizaines de fois à proximité de quelques récepteurs de l'inositol (1, 4, 5) trisphosphate (InsP 3 ). Cela se fait sous la forme de vagues se propageant périodiquement dans un tissu ou un organe. Les études de la relation entre ces phénomènes, caractérisés par des échelles temporelles et spatiales très différentes, et les mécanismes qui en sont responsables, sont décrits dans cette revue par une approche fondée sur une interaction étroite entre expériences et modélisa-tion, appliquée principalement à la signalisation calcique dans les hépatocytes. < des échelles de temps et d'espace très différentes sont-ils coordonnés ? Comment les cellules contrôlent-elles, ou même utilisent-elles, des fluctuations moléculaires pour réaliser des tâches dites robustes ? Pour répondre à ces questions, il est nécessaire d'associer démarches expérimentales et théoriques. Ce type d'approche pluridisciplinaire, utilisé avec succès depuis de nombreuses années en neurophysiologie, s'étend aujourd'hui à de nombreux aspects de la physiologie cellulaire. La signalisation calcique, objet de cette revue, en est un exemple frappant. Depuis les travaux de Ringer il y a près de 130 ans, l'importance du calcium dans la physiologie cellulaire n'est plus à démontrer, mais l'extraordinaire complexité de l'organisation dans le temps et dans l'espace de cette signalisation n'a été révelée que grâce aux progrès techniques réalisés depuis une petite vingtaine d'années. En combinant expériences et modélisation, nous avons pu disséquer certains aspects de cette signalisation, notamment dans les hép...

Rythmes du vivant : des horloges pour tous les temps

“…La régulation enzymatique soustend les oscillations observées dans des voies métaboliques comme la glycolyse. Le contrôle des échanges entre divers compartiments cellulaires est à l'origine des oscillations du calcium cytosolique, comme l'expliquent Laurent Combettes et Geneviève Dupont dans ce numéro de médecine/sciences [3] (➜). Enfin la régulation de l'expression des gènes est au coeur des rythmes circadiens que l'on observe chez tous les eucaryotes et certains procaryotes comme les cyanobactéries.…”