Les récepteurs membranaires jouent un rôle crucial dans les processus physiologiques tout au long du corps humain1. L’une des fonctions principales est d’assurer la communication entre les cellules par le transfert de stimuli extracellulaires pour initier des événements de signalisation intracellulaire. En raison de leur rôle fondamental dans la signalisation, près de 70 % des thérapies existantes ciblent les récepteurs membranaires2. Il s’agit souvent de structures oligomères composées de multiples sous-unités assemblées en formes hétéromères avec de multiples stœchiométries 3,4. Comprendre comment les récepteurs s’organisent en complexes fonctionnels est essentiel pour élucider leurs rôles dans la santé et la maladie 5,6. Les méthodes biochimiques traditionnelles, telles que l’immunoprécipitation et le western blot, fournissent des mesures d’ensemble moyennées, ce qui masque l’hétérogénéité des sous-populations de récepteurs7. En revanche, les techniques à molécule unique permettent l’observation directe de récepteurs individuels, ce qui permet de quantifier l’hétérogénéité au sein des populations de récepteurs 8,9,10. Les techniques à molécule unique sont devenues la norme pour quantifier l’assemblage des récepteurs membranaires, la stœchiométrie et l’oligomérisation11,12. Cette approche a été largement appliquée à de nombreux récepteurs membranaires physiologiquement pertinents en utilisant des protéines isolées ou des conditions de culture cellulaire. Les études sur les molécules uniques reposent principalement sur des systèmes d’expression in vitro, où les protéines peuvent être isolées d’un environnement cellulaire. Cependant, la complexité d’un système vivant n’est pas entièrement reflétée dans ces types de systèmes d’expression hétérologues.
Pour surmonter ces limitations, nous avons développé une approche qui isole et image les récepteurs membranaires dans un état physiologiquement pertinent en les capturant dans des nanovésicules dérivées directement des tissus cardiaques et neuronaux. Cette méthode préserve efficacement l’état d’assemblage du récepteur au moment de la formation des vésicules, permettant la visualisation directe de la stœchiométrie des sous-unités du récepteur, qui est un indicateur pivot de la réponse du récepteur dans différents environnements physiologiques. Cette approche nous permet d’examiner l’assemblage stœchiométrique des récepteurs membranaires qui se produisent avec l’environnement biologique complexe chez les animaux vivants sans nécessiter d’expression ou de reconstitution hétérologue. En utilisant la microscopie à fluorescence par réflexion interne totale (TIRFM), nous réalisons une imagerie à résolution moléculaire unique des récepteurs encapsulés dans des vésicules et extrayons des traces de photoblanchiment pour déterminer la composition des sous-unités.
TIRFM est bien adapté à l’imagerie des protéines membranaires à molécule unique car il excite sélectivement les fluorophores à ~150 nm de la surface du verre, réduisant ainsi la fluorescence de fond des molécules dans la solution 3,10. Ce confinement améliore considérablement le rapport signal/bruit, permettant une détection précise des complexes de récepteurs membranaires individuels. En analysant le photoblanchiment par étapes des récepteurs marqués par fluorescence, nous pouvons déterminer directement la stœchiométrie sous-unitaire et évaluer l’hétérogénéité potentielle au sein des populations de récepteurs12. Ceci est particulièrement pertinent pour le récepteur 2 de la ryanodine (RyR2), un grand canal de libération intracellulaire de Ca²⁺ qui joue un rôle crucial dans le couplage excitation-contraction dans le cœur, où il ne s’assemble que sous forme d’homo-tétramère, et dans la fonction synaptique dans le cerveau, où son assemblage n’a pas été établi 1,13,14. Étant donné la présence de plusieurs isoformes de RyR dans les tissus neuronaux, il n’est pas clair si RyR2 forme des complexes tétramères purement homomères dans le cerveau, constitués de quatre sous-unités identiques à celles du cœur, ou si des assemblages hétéromériques avec RyR1 ou RyR3 se produisent in vivo 15,16,17,18.
En isolant les vésicules de régions spécifiques du cœur et du cerveau, cette méthode permet d’étudier les différences tissulaires potentielles spécifiques dans l’organisation de RyR2. Nous tirons parti des propriétés de RyR2 dans le tissu cardiaque où il ne peut former que des homotétramères pour fournir une base statistiquement robuste pour la stœchiométrie ex vivo de sous-unités à molécule unique, et l’assemblage connu des tétramères sert de contrôle pour l’étude d’assemblages inconnus dans d’autres organes. La capacité d’imager les récepteurs dans leur état natif tout en préservant leurs interactions physiologiques fournit un cadre solide pour étudier l’assemblage des récepteurs dans différents organes et dans différentes conditions physiologiques. Ce protocole décrit le flux de travail pour l’isolement des vésicules, l’immobilisation et l’imagerie monomoléculaire de RyR2 marqué à la GFP, permettant une caractérisation précise de la stœchiométrie du récepteur. Cette technique permet non seulement de faire progresser notre compréhension de l’organisation de RyR2 dans les tissus cardiaques et neuronaux, mais offre également des applications plus larges pour l’étude de l’assemblage et de la régulation des récepteurs dans divers contextes physiologiques et pathologiques.