Multiplexage des signaux par la GTPase Rac1: une approche quantitative de l’in-vitro à l’in-vivo – MULTIPLEX

Un défi de la biologie moderne est de comprendre comment les circuits de protéines permettent aux cellules de détecter les informations provenant de leur environnement et de prendre des décisions pour y répondre efficacement. Les petites GTPases sont parmi les acteurs les plus importants de la signalisation cellulaire, et elles sont impliquées dans la régulation de pratiquement tous les processus cellulaires. Un point commun à toutes les petites GTPases est leur capacité à fonctionner comme des commutateurs moléculaires par leur alternance entre une forme inactive, liée au GDP et une forme active, liée au GTP. Ce mécanisme d’apparence simple est en réalité extrêmement complexe, car de multiples signaux convergent vers chaque petite GTPase grâce à leurs nombreux activateurs (facteurs d'échange ou GEF, qui stimulent leur chargement en GTP), ce qui génère une réponse unique par la sélection d’un effecteur spécifique en aval. Inversement, le niveau de GTPases actives est contrebalancé par l’activité inhibitrice de leurs GTPase-activating proteins (GAPs), qui les inactivent en stimulant l'hydrolyse du GTP. De plus, tous ces mécanismes fonctionnent à la périphérie des membranes, qui en sont des composants importants. Par analogie avec les réseaux de télécommunication, les réseaux de GTPases peuvent ainsi être assimilés à des circuits moléculaires multiplexés, dans lesquels plusieurs entrées sont combinées en un seul signal (la petite GTPase) avant d'être décomposées en sorties spécifiques. A ce jour, les déterminants de la cinétique et de la spécificité des petites GTPases dans ce contexte multiplexé sont restés mystérieux. Notre hypothèse est que la spécificité de la signalisation provient de contributions multi-échelles: affinités différentielles (protéines), compositions moléculaires (complexes) et partitionnement spatial sur membranes (nanoclusters).

Ce projet aborde ce problème par des mesures quantitatives de l’activation et de la signalisation in vitro et en cellules, avec comme système modèle la petite GTPase Rac1. Rac1 est un régulateur majeur de la motilité cellulaire, de l'endocytose et de la croissance cellulaire, et il est associé à de nombreuses pathologies telles que la tumorigenèse, les troubles du développement du système nerveux, les maladies cardiaques ou les infections. Cette petite GTPase est régulée par un très grand nombre de GEFs et de GAPs et transmet des signaux à divers effecteurs, et peut donc être considérée comme un archétype du multiplexage. La reconstitution de sa régulation et de son activité dans des conditions bien contrôlées permettant de quantifier les paramètres cinétiques de l'activation (échange GDP / GTP et hydrolyse du GTP) et de la signalisation (liaison aux effecteurs) sont une étape importante pour comprendre les caractéristiques de la signalisation cellulaire médiée par Rac1. En associant l'expertise du laboratoire Cherfils (ENS Paris-Saclay) dans la reconstitution de petites GTPases en membranes artificielles et du laboratoire Coppey (Institut Curie Paris) en optogénétique quantitative subcellulaire, notre objectif est d'identifier et de quantifier ces paramètres en intégrant des cinétiques in vitro utilisant des protéines purifiées et des membranes artificielles contrôlées (liposome et bicouche lipidique supportée) avec des mesures biochimiques en cellule dans lesquelles les concentrations de régulateurs sont contrôlées par optogénétique. Ces paramètres expérimentaux seront intégrés dans des modèles mathématiques de régulation et de signalisation de Rac1. Notre projet devrait fournir un « manuel d'instructions » moléculaire de Rac1 sur les membranes et générer des avancées conceptuelles qui élargiront notre compréhension des nombreuses facettes des petites GTPases. À plus long terme, ils devraient inspirer des stratégies à l’échelle du système moléculaire pour la découverte de médicaments inhibant les voies de signalisation contrôlées par la GTPase dans les maladies.