Comment le Botox pénètre dans nos cellules

Volodymyr Korkhov (liens) et Richard Kammerer du Centre des sciences de la vie au PSI ont fait un pas important pour comprendre comment la neurotoxine botulique, communément appelée Botox, pénètre dans nos cellules nerveuses. © Institut Paul Scherrer PSI/Mahir Dzambegovic / Volodymyr M. Korkhov (à gauche) et Richard Kammerer du Centre des sciences de la vie au PSI ont réalisé des avancées importantes pour comprendre comment la neurotoxine botulique, dite Botox, pénètre dans nos cellules nerveuses. © Institut Paul Scherrer PSI/Mahir Dzambegovic

Des chercheurs du Centre des Sciences de la Vie du Paul Scherrer Institut PSI ont pour la première fois élucidé les modifications structurales de la neurotoxine botulique, communément appelée Botox, que l'on suppose être déterminantes lors de son entrée dans la cellule nerveuse. Cela pourrait permettre à l'avenir d'utiliser plus précisément et de manière plus complète l'effet paralysant de ce puissant neurotoxine à des fins thérapeutiques, notamment dans le traitement de la douleur. L'étude a été publiée dans la revue spécialisée Nature Communications.

La neurotoxine botulique de type A1, mieux connue sous la marque Botox, n'est pas seulement un outil cosmétique populaire, mais aussi une toxine nerveuse bactérienne très efficace, qui est utilisée comme médicament avec une précision soigneusement dosée. Elle bloque la transmission des signaux nerveux vers les muscles : cela peut détendre les muscles sous la peau, ce qui est utilisé en cosmétique pour lisser les traits du visage. Elle peut également soulager des affections dues à des muscles spasmodiques ou à des signaux nerveux erronés, comme les spasticités, l'incontinence ou les déformations oculaires. Cependant, à dose trop élevée, le Botox peut être mortel en provoquant une paralysie des muscles respiratoires. Cela se produit généralement à la suite d'une intoxication alimentaire bactérienne et est appelé « botulisme ».

Pour utiliser la neurotoxine botulique comme médicament de manière aussi efficace que possible, contrôler précisément ses effets et élargir ses applications, les chercheurs souhaitent mieux comprendre comment la toxine pénètre dans une cellule nerveuse pour y exercer son effet. Cependant, peu de choses étaient encore connues à ce sujet. « Cela est principalement dû au fait que nous ne disposons pas encore de données structurales montrant à quoi ressemble la toxine dans sa longueur totale lorsqu'elle est liée au récepteur de la cellule nerveuse », explique Richard Kammerer du Centre PSI pour les Sciences de la Vie. Jusqu'à présent, il n'existait que des études sur la structure de certains domaines de la toxine — c'est-à-dire des parties spécifiques de sa structure moléculaire complexe — ainsi que sur la structure de ces domaines lorsqu'ils sont liés au récepteur ou à l'un de ses domaines.

Observations à -160 degrés

Pour changer cela, Kammerer et son équipe ont collaboré avec le groupe de recherche de Volodymyr Korkhov. Ce dernier travaille dans le même laboratoire du PSI et est spécialisé dans la détermination de la structure de protéines, en particulier de protéines membranaires. Dans cette étude commune, les chercheurs ont examiné des échantillons de la neurotoxine seule et en complexe avec le récepteur à l'aide d'un microscope électronique cryogénique. Lors de la cryo-microscopie électronique, les échantillons sont instantanément congelés à -160 degrés, sans formation de cristaux de glace. « Cela permet à l'échantillon de conserver sa structure de façon permanente, et nous pouvons l'étudier en toute tranquillité », explique Basavraj Khanppnavar, premier auteur de l'étude. « Grâce à cela, nous obtenons des aperçus particulièrement précis de l'architecture moléculaire », ajoute sa collègue et également première auteure, Oneda Leka.

Les chercheurs ont ainsi déterminé la structure de la toxine dans son ensemble, seule, ainsi que la structure du complexe moléculaire avec le récepteur. Ils ont effectué ces analyses à pH faibles et neutres, comme ceux présents dans le vésicule synaptique. Après que la toxine se soit fixée au récepteur, ce dernier, un organite cellulaire en forme de bulle, l'absorbe et le transporte à l'intérieur de la cellule.

Une forme compacte qui interagit mieux

Comme il a été montré, la baisse du pH du « vésicule en maturation » est cruciale pour le transport de la toxine du vésicule à travers sa membrane dans le cytosol — la partie de la cellule où se déroulent la plupart des réactions biochimiques et où la toxine exerce également son effet. « À un pH bas d'environ 5,5, la toxine se plie de sa forme généralement allongée et ouverte à une forme sphérique compacte », rapporte Volodymyr Korkhov. Cela rapproche les domaines clés de la protéine de la membrane du vésicule. « À un pH neutre d'environ 7, ils restent, en revanche, dans leur forme allongée, trop éloignés de la membrane pour interagir », précise-t-il. La translocation de la toxine du contenu du vésicule vers le cytosol de la cellule ne peut alors pas avoir lieu.

Parmi les groupes de recherche travaillant sur ce sujet, l'équipe du PSI est la première au monde à fournir des données structurales de la toxine dans sa longueur totale et en complexe avec le récepteur avant la translocation. « Cela nous donne maintenant une compréhension beaucoup plus réaliste des mécanismes clés de la translocation », explique Kammerer. Cependant, d'autres études seront nécessaires pour en dévoiler tous les détails. « Mais avec cette étude publiée, nous avons déjà franchi une étape importante, qui pourrait aider à utiliser la neurotoxine botulique de manière encore plus efficace, par exemple dans le traitement de la douleur. »