Publié le mercredi 8 octobre 2008. 

C’est un hommage rendu aux « pères » de l’une des protéines les plus célèbres en laboratoire. Le Prix Nobel de Chimie 2008 récompense le japonais Osamu Shimomura et les américains Martin Chalfie et Roger Y. Tsien pour la découverte et le développement de la protéine fluorescente GFP (green fluorescent protein). De leurs travaux sur la biochimie de cette protéine découlent la mise au point d’un des marqueurs fluorescents les plus utilisés en biologie cellulaire.

En 1960, Osamu Shimomura vient d’achever sa thèse de doctorat en chimie organique au Japon. Il rejoint alors le laboratoire de Frank Johnson à Princeton (USA) afin d’étudier la bioluminescence de la méduse Aequorea victoria, phénomène naturel décrit cinq ans plus tôt. En 1962, il met en évidence la présence de deux protéines fluorescentes : l’aequorine et la GFP. Malheureusement, la première émet une lumière bleutée et la seconde une lumière verte ! Bien que la méduse ait une bioluminescence verte, il faudra attendre les années 1969 et 1971 pour que Shimomura et ses collègues révèlent le mécanisme à l’origine de cette bioluminescence. L’aequorine et la GFP agissent de concert : la première absorbe une longueur d’onde excitatrice et émet une longueur d’onde moins énergétique, venant exciter à son tour la GFP, qui restitue au final une lumière verte. En fluorescence, un tel phénomène est connu sous le terme de FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Au cours des années suivantes, d’autres chercheurs s’intéressent à la biochimie de la GFP. La séquence génétique à l’origine de la protéine est clonée, et le motif responsable de sa fluorescence est décrit : il s’agit d’un tripeptide Ser-Tyr-Gly modifié de manière post-traductionnelle (Prasher et al., 1992 ; Code et al., 1993). Cette modification, d’abord énigmatique, va être élucidée au cours des années suivantes.

Lorsque Martin Chalfie entend parler pour la première fois de la GFP, au début des années 1990, il se montre très vite enthousiaste : ce neurobiologiste de formation a alors l’idée de fusionner la GFP avec d’autres protéines, et d’obtenir ainsi des protéines chimères fluorescentes capables de servir de marqueur cellulaire in vivo. Dès 1992, il obtient de Prasher un clone du gène gfp, et entreprend avec succès d’exprimer la GFP dans la bactérie Escherichia coli. Puis, il reproduit l’expérience sur son modèle d’étude : le ver nématode Caenorhabditis elegans. Fin 1993, c’est une nouvelle réussite pour Chalfie. Son article de 1994, paru dans la revue Science, ouvre la voie à une méthode très prometteuse d’exploration de l’expression des gènes : l’engouement est au rendez-vous, et dès la même année, plusieurs équipes se lancent à leur tour dans l’aventure !

Roger Tsien fait partie de ces biologistes convertis à cette nouvelle technique. Tsien et ses collègues remarquent que le gène gfp ne fluoresce pas en absence d’oxygène (chez E. coli cultivée en anaérobie), et ce malgré sa bonne expression. Ils viennent alors de mettre le doigt sur le rôle de l’oxygène dans la formation post-traductionnelle du chromophore. Poursuivant leurs travaux, les chercheurs élucident les mécanismes chimiques impliqués dans la maturation du chromophore (Heim et al., 1994). Par la suite, Tsien contribue à l’élaboration de différentes formes mutantes de la GFP, modifiant sa structure biochimique afin d’émettre une fluorescence à différentes longueurs d’ondes excitatrices, ou dans une large gamme de couleurs.

Ce Prix Nobel récompense donc trois scientifiques, ayant marqué les étapes-clé de la découverte de la GFP et de son utilisation comme marqueur fluorescent en biologie. En réalisant des protéines chimères, les chercheurs peuvent ainsi suivre l’expression d’une protéine dans une cellule, ou bien dans un tissu ou un organisme au cours de son développement ! Outil devenu assez basique en biologie moléculaire, la technique GFP a également marqué l’imaginaire collectif lors de la réalisation de souris ou de porcs fluorescents. Mais cette technique incontournable demeure avant tout au cœur de nombreuses découvertes, dans le domaine de la recherche médicales comme fondamentale.

Références :

Cody, W.C., Prasher, D.C. et al. (1993) Biochemistry 32 1212-1218.

Heim, R. et al., (1994) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91 12501-12504.

Prasher, D. et al. (1992) Gene 111 229-233.

Shimomura, O., Johnson, F.H. and Saiga, Y. (1962) J. Cell. Comp. Physiol. 59 223-240.