Clarifier le rôle de la vitamine E
"Les scientifiques ont lutté pendant des décennies pour déterminer le rôle que joue la vitamine E dans la santé humaine. Les scientifiques ont débattu du...
Dans la culture populaire, le cholestérol est presque synonyme d’artères bouchées et de maladies cardiaques. Les graisses saturées sont mauvaises pour la santé, tandis que les graisses insaturées sont meilleures. C’est vrai ? En réalité, pas exactement.
S’il est vrai qu’un mauvais équilibre de ces nutriments peut entraîner des problèmes, le cholestérol et les deux types de graisses sont également essentiels à la santé humaine. D’une part, notre corps transforme ces graisses en lipides, qui sont les principaux éléments structurels des membranes cellulaires. Comme la peau, les membranes cellulaires protègent ce qui se trouve à l’intérieur des cellules et contiennent des capteurs intégrés pour déterminer ce qui se trouve à l’extérieur.
Le cholestérol est également un composant nécessaire de chaque membrane cellulaire chez l’homme et l’animal. En effet, le cholestérol joue un rôle essentiel dans la formation des structures des membranes cellulaires qui permettent aux cellules d’interagir avec leur environnement. Il assure également la stabilité des membranes dans une large gamme de températures et est nécessaire à la production de vitamine D et d’hormones.
En réalité, le cholestérol est si important pour la santé humaine que notre système fabrique environ 75 % du cholestérol présent dans notre corps à partir d’autres nutriments (le reste provenant directement des aliments que nous mangeons). Notre corps recycle même le cholestérol usagé dans le foie au lieu de s’en débarrasser. Mais l’étendue des fonctions du cholestérol au sein des membranes cellulaires et la manière exacte dont il interagit avec les lipides et les protéines pour accomplir ces fonctions restent des questions scientifiques ouvertes que le professeur Thad Harroun, de l’Université Brock à St Catharines tente de répondre.
L’un des moyens les plus courants utilisés par les scientifiques pour comprendre le fonctionnement des membranes cellulaires consiste à fabriquer et à étudier des bicouches lipidiques, composées de deux feuilles plates de lipides. Les molécules de lipides sont constituées d’une « tête » qui aime l’eau et de deux segments de « queue » qui aiment l’huile. Les types de lipides se distinguent par la longueur de leurs queues et par le fait que celles-ci sont composées d’acides gras insaturés (par exemple, des oméga 3 et des oméga 6) ou saturés.
Les bicouches lipidiques servent, dans les expériences scientifiques, de modèles simplifiés des membranes cellulaires vivantes. En isolant les aspects intéressants de ces modèles, les scientifiques cherchent à acquérir de nouvelles connaissances qui pourront ensuite être appliquées aux membranes cellulaires réelles des êtres vivants.
Les faisceaux de neutrons sont l’un des rares outils permettant d’étudier les molécules qui résident dans les membranes lipidiques dans des conditions réalistes. Dans des recherches publiées en 2006 et 2008, le professeur Harroun a utilisé des faisceaux de neutrons au Centre canadien de faisceaux de neutrons (CCFN) pour étudier le positionnement des molécules de cholestérol dans les bicouches lipidiques et a fini par faire des découvertes plutôt controversées.
La communauté scientifique avait admis de façon générale que les molécules de cholestérol (qui ont également une tête et une queue) se tiennent debout dans les bicouches lipidiques, avec la tête du cholestérol près des têtes des lipides. Cependant, les observations du professeur Harroun suggèrent que le cholestérol se trouve en fait à plat entre les couches de certaines bicouches lipidiques, y compris dans une bicouche où les queues lipidiques sont composées d’acides gras oméga 6. Harroun a fait des observations similaires dans des études publiées en 2009 et 2010. Ces études complémentaires, qui ont également utilisé des faisceaux de neutrons au CCFN, ont démontré que de petites modifications de la composition des lipides pouvaient amener le cholestérol à adopter une position verticale.
« L’idée que le cholestérol puisse se coucher à plat a été accueillie avec beaucoup de doutes et a soulevé des questions sur la signification biologique de cette position », explique Drew Marquardt, qui a rejoint l’équipe de recherche du professeur Harroun en tant qu’étudiant diplômé en 2010. « D’autres scientifiques ont tenté de reproduire ce que nous avons vu à l’aide de simulations informatiques, mais n’y sont pas parvenus. »
Dans l’espoir de résoudre cette controverse, le professeur Harroun a constitué une équipe de recherche internationale chargée d’élucider le comportement du cholestérol dans diverses bicouches lipidiques. Les chercheurs ont décidé d’utiliser du cholestérol deutéré, dans lequel la majorité des atomes d’hydrogène existent sous une forme appelée « deutérium ».
Le deutérium (un atome d’hydrogène avec un neutron en plus d’un proton et d’un électron) est chimiquement identique à l’hydrogène normal pour la plupart des usages. Alors que le comportement des molécules de cholestérol n’est que très peu affecté lorsque le deutérium est substitué à l’hydrogène normal, les faisceaux de neutrons sont particulièrement sensibles à la différence entre les deux types d’atomes. Ainsi, le cholestérol deutéré peut être observé plus précisément dans les bicouches lipidiques.
Howard Riezman, de l’Université de Genève (Suisse), a fourni une souche de levure génétiquement modifiée qui produit de grandes quantités de cholestérol. Bob Standaert, biochimiste à l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) aux États-Unis, a cultivé la levure dans des conditions contrôlées pour s’assurer que le cholestérol récolté était suffisamment deutéré.
En 2014, M. Marquardt a réalisé des études par faisceau de neutrons au CCFN sur une variété de bicouches lipidiques incorporant des molécules de cholestérol entièrement deutérées. Notamment, certaines de ces bicouches ont été formées avec des lipides dont les queues étaient composées d’acides gras oméga-3 ou oméga-6. En comparant ses données avec des résultats antérieurs dans lesquels seule une partie de la molécule de cholestérol (c’est-à-dire sa tête ou sa queue) avait été marquée au deutérium, Marquardt a pu confirmer que le cholestérol se trouvait bien au centre de certaines bicouches lipidiques, mais qu’il n’était pas à plat.
Les membres de l’équipe de recherche, le professeur Roger Koeppe de l’Université de l’Arkansas et le professeur Stephen Wassall de l’Université d’Indiana-Purdue University Indianapolis, ont mené des expériences complémentaires dans leurs installations respectives pour aider à déterminer l’orientation exacte du cholestérol dans ces bicouches. Les techniques expérimentales utilisées étaient basées sur la « résonance magnétique », une approche qui utilise les mêmes principes physiques que les appareils d’IRM, que les médecins utilisent pour diagnostiquer les traumatismes cérébraux.
« En réalité, nous avons mis un terme à cette controverse. »
Combinés aux données recueillies à l’aide de neutrons, les résultats ont fourni des preuves solides d’une description particulière du comportement du cholestérol lorsqu’il réside au milieu d’une bicouche lipidique, à savoir qu’il traverse le centre de la bicouche, avec sa tête dans une couche et sa queue dans l’autre, et qu’il est incliné plutôt qu’à plat. En outre, il a été déterminé que le cholestérol peut changer d’orientation en se retournant de haut en bas au centre d’une bicouche. Brad Van Oosten, un étudiant diplômé travaillant sous la direction de Harroun, a réalisé des simulations informatiques pour reproduire certaines de ces caractéristiques clés concernant l’orientation et le comportement du cholestérol.
Les résultats de l’équipe de recherche internationale ont été publiés en couverture de la revue Soft Matter en décembre 2016. L’une des découvertes les plus importantes de l’équipe est peut-être que l’épaisseur de la bicouche lipidique – dictée par la longueur des queues des lipides – est la caractéristique clé qui détermine si le cholestérol se tient debout ou s’il est incliné au centre de la bicouche. Plus précisément, le cholestérol ne réside au centre que lorsque l’épaisseur de la bicouche est inférieure à un certain seuil. Comme les membranes lipidiques des cellules vivantes sont toujours plus épaisses que ce seuil, on peut s’attendre à ce que le cholestérol dans les cellules vivantes soit toujours orienté en position verticale.
En effet, en identifiant le point où le cholestérol se comporte anormalement, les chercheurs ont une grande assurance qu’il se comporte normalement par ailleurs.
« Il s’agit d’un cas où l’exception confirme la règle », explique M. Marquardt. « En réalité, nous avons mis un terme à cette controverse. »
En connaissant mieux la position et l’orientation du cholestérol, les scientifiques peuvent s’attaquer avec plus de confiance à la manière dont il interagit avec les protéines pour former les structures de la membrane cellulaire dont la cellule a besoin pour s’adapter à son environnement.
Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.
