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Exposez votre peau au soleil pendant trop longtemps sans protection, et vous aurez un coup de soleil. En d'autres termes, les rayons UV du soleil vont provoquer une réaction inflammatoire dans les cellules cutanées exposées. Si vous êtes brûlé trop souvent, vous risquez de subir un vieillissement prématuré de la peau, des rides et un risque accru de cancer de la peau. Mais que se passe-t-il réellement à l'intérieur des cellules de votre peau lorsqu'elles sont endommagées par les rayons du soleil ?
C'est la question à laquelle Gabriele Fontana, post-doctorant au Laboratoire de toxicologie dirigé par la professeure de l'ETH Zurich Shana Sturla, a tenté de répondre dans son dernier projet de recherche. Gabriele Fontana, qui a grandi près de Cremona en Italie, mène des recherches à l'ETH Zurich depuis 2019, mais sa fascination pour le monde moléculaire des cellules a commencé bien plus tôt.
Un sens de la biologie moléculaire
Gabriele Fontana a développé un intérêt pour la chimie et la biologie alors qu'il était encore à l'école. Il a un enthousiasme extraordinaire pour l'expérimentation scientifique, mais ce n'est pas la biologie traditionnelle, axée sur la botanique et la zoologie, qui le fait vibrer. Son véritable intérêt réside dans le domaine de recherche relativement jeune de la biologie moléculaire, qui traite de la régulation et de la fonction de nos gènes et examine comment les gènes interagissent avec les protéines. C'est à l'intérieur de nos cellules que Gabriele Fontana pense trouver la clé pour améliorer notre compréhension des maladies et notre capacité à développer des médicaments efficaces.
Lorsqu'il a commencé ses études de biologie à Milan en 2001, l'analyse et le séquençage de l'ADN étaient encore laborieux et coûteux. Pourtant, au fur et à mesure que son cursus progressait, Gabriele Fontana a constaté que le processus devenait plus rapide et plus facile, même pour le séquençage de génomes entiers. Excité par les possibilités offertes par les nouvelles techniques génétiques, il est déterminé à les expérimenter lui-même.
Il est resté à l'Université de Milano-Bicocca pour ses études de doctorat, au cours desquelles il a examiné les causes moléculaires de la sclérose latérale amyotrophique (SLA), une maladie incurable des motoneurones. Après avoir terminé son doctorat, il a décidé d'accepter un poste postdoctoral à l'Institut Friedrich Miescher pour la recherche biomédicale à Bâle.
Un pansement adhésif pour les dommages à l'ADN
À l'âge de 30 ans, Gabriele Fontana était à Bâle pour étudier comment les cellules réparent leur ADN endommagé. Ces mécanismes sont cruciaux, car des dommages plus graves peuvent entraîner des mutations malignes qui peuvent finalement provoquer un cancer. «Au cours de mes travaux avec mes collègues de l'Institut Friedrich Miescher, nous avons découvert le rôle clé d'une protéine appelée Rif1», explique le post doctorant. Cette protéine agit comme une sorte de sparadrap moléculaire pour l'ADN endommagé.
Gabriele Fontana a réalisé que ce processus se déroule à des endroits très spécifiques de la cellule. «Lorsqu'un brin d'ADN est cassé», explique-t-il, «l'ADN endommagé est déplacé vers le bord du noyau, où se trouve la protéine Rif1, qui attend de recevoir les extrémités de l'ADN cassé et de commencer le processus de réparation.» Lorsque le chercheur de l'ETH Zurich a observé ce processus au microscope pour la première fois, il a eu du mal à en croire ses yeux. Il a montré qu'il existait bien un endroit spécifique dans la cellule - une sorte d'atelier avec son propre service de livraison - où certains types de dommages à l'ADN sont réparés. Personne ne l'avait jamais démontré aussi clairement.
Les cellules de la peau sous le microscope
Rien dans la discrète boîte grise du laboratoire de toxicologie de l'ETH Zurich n'indique qu'il s'agit de la Ferrari des appareils d'irradiation UV. Pris en sandwich entre une centrifugeuse et une vitrine remplie de matériel de laboratoire, ce boîtier carré en acier inoxydable passe facilement inaperçu, du moins aux yeux d'un profane. Mais pour Gabriele Fontana, il s'agit d'un outil essentiel pour étudier les effets nocifs des rayons UV sur la peau humaine.
Après cinq années passionnantes à Bâle, il a déménagé à Zurich en 2019 pour prendre un poste à l'ETH Zurich, où il a poursuivi ses travaux sur les dommages à l'ADN et leurs conséquences pathologiques. Mais contrairement à son projet de recherche à Bâle, où il travaillait principalement avec des cellules de levure, il étudiait désormais des cellules de peau humaine. La manière dont ces cellules réagissent aux lésions de l'ADN est particulièrement pertinente, car elles sont constamment exposées à des influences environnementales qui déstabilisent leur génome.
Gabriele Fontana a pris des cellules de peau humaine cultivées en laboratoire et les a systématiquement exposées aux rayons UV. Il a ensuite utilisé un microscope et diverses méthodes biochimiques et génétiques pour examiner ce qui se passe à l'intérieur des cellules à la suite de cette exposition. Ce faisant, il a découvert un mécanisme que les scientifiques ont longtemps eu du mal à comprendre.
La base des nouveaux écrans solaires
«L'augmentation du rayonnement UV provoque des dommages et des mutations à des endroits spécifiques de l'ADN nucléaire et mitochondrial - et nous pouvons utiliser ces changements dans les cellules de la peau comme un nouvel indicateur de la maladie et du vieillissement de la peau», déclare Gabriele Fontana, résumant les résultats d'une étude qu'il publiera en collaboration avec sa superviseuse, Hailey Gahlon. À l'avenir, il devrait être possible d'utiliser ces mutations spécifiques comme biomarqueurs pour améliorer et accélérer la détection des cellules cutanées pathologiques.
Mais le biologiste ne se contente pas de découvrir un lien moléculaire entre les rayons UV et les mutations de l'ADN dans les cellules de la peau. En collaboration avec le groupe Mibelle, une entreprise suisse, Gabriele Fontana étudie également la base moléculaire de la manière dont les dommages à l'ADN induits par les UV pourraient être atténués par des ingrédients actifs spéciaux qui pourraient être facilement ajoutés aux produits cosmétiques à l'avenir. «Ces résultats pourraient constituer la base d'une nouvelle génération d'écrans solaires dotés de filtres UV plus efficaces», déclare-t-il, avec une fierté compréhensible.
La collaboration comme clé du succès
En 2021, Gabriele Fontana a reçu le James Mitchell Award pour ses travaux de recherche à l'ETH Zurich. Ce prix récompense les chercheur·es en début de carrière qui favorisent les projets de recherche collaboratifs et interdisciplinaires. «Sans une collaboration active avec d'autres disciplines, la biologie moléculaire serait au point mort», déclare le chercheur avec insistance. Son seul groupe de recherche comprend des chimistes, des physiciens, des biologistes moléculaires, des toxicologues et des bioinformaticien·nes, qui travaillent tous sur des points d'intérêt communs.
Il·les partagent un objectif: améliorer notre compréhension des mécanismes moléculaires des maladies afin de jeter les bases de nouvelles méthodes de traitement. Ce démantèlement de la mentalité de silo est l'une des choses que Gabriele Fontana trouve particulièrement fascinantes dans la biologie moléculaire.