Mécanisme d'hydrolyse du GTP lors de l'assemblage des microtubules – Tubulin_GTP

Les microtubules sont des composants essentiels du cytosquelette impliqués dans de nombreuses fonctions essentielles telles que le trafic intracellulaire ou la division cellulaire. Une grande partie de ces fonctions est sous-tendue par leur dynamique d'assemblage, qui permet aux microtubules de s'assembler et de se désassembler rapidement en fonction des besoins de la cellule. Bien que cette dynamique soit régulée par de nombreuses protéines, la faculté d'alterner entre des phases de croissance et de décroissance est une propriété intrinsèque aux microtubules assemblés à partir de tubuline purifiée. L'hydrolyse du GTP lié au site échangeable de la tubuline lors de la polymérisation est à la base de cette dynamique particulière, baptisée 'instabilité dynamique' des microtubules. Selon le modèle le plus couramment décrit dans la littérature, il existerait un délai entre la polymérisation et l'hydrolyse du GTP par la tubuline, générant une 'coiffe-GTP' à l'extrémité des microtubules en croissance. La perte aléatoire de cette 'coiffe-GTP' entrainerait la dépolymérisation rapide du microtubule, et sa reformation permettrait l'évènement inverse. L'étude de la 'coiffe-GTP' a stimulé de nombreux travaux par le passé. Cependant, l'absence de marqueur spécifique de l'état nucléotidique de la tubuline au sein des microtubules n'a pas permis de caractériser cette structure au niveau moléculaire.

Ce projet implique une collaboration entre l'Institut de Génétique et Développement de Rennes (D. Chrétien, partenaire 1) et l'Institut Paul Scherrer (M. Steinmetz, Villigen Suisse, partenaire 2). Lors d'une collaboration précédente, nous avons caractérisé l'architecture de la 'coiffe-GTP' par cryo-tomographie électronique (cryo-TE), en utilisant la protéine de 'liaison aux bouts plus' EB1 conjuguée à des nanoparticules d'or. EB1 lie spécifiquement l'extrémité en croissance des microtubules et présente une forte affinité pour des microtubules assemblés en présence de certains analogues du GTP. Elle est ainsi aujourd'hui considérée comme marqueur de la 'coiffe-GTP'. Nos résultats suggèrent que cette structure inclue les feuillets courbes de tubuline présents à l'extrémité des microtubules en croissance et s'étend à une partie de la paroi complète du microtubule. Pour poursuivre cette étude, nous souhaitons corréler précisément les changements de conformation de la tubuline à son cycle d'hydrolyse du GTP. Notre approche méthodologique visera à caractériser à la plus haute résolution possible la structure de microtubules dynamiques assemblés en présence de différents analogues du GTP et du GDP-Pi. Ces travaux impliqueront la détermination à haute résolution de la structure de la tubuline liée aux analogues du GTP par cristallographie aux rayons X (partenaire 2), l'analyse par cryo-TE de la structure de microtubules dynamiques en présence de ces différents analogues (partenaire 1), puis l'ajustement des structures haute résolution de la tubuline dans les enveloppes moléculaires obtenues par cryo-TE (partenaires 1 et 2).

Des dysfonctionnements de la dynamique des microtubules sont associés à de nombreuses pathologies telles que des désordres neuronaux ou des anomalies de la division cellulaire. Dans ce contexte, une meilleure connaissance des bases moléculaires de la dynamique des microtubules est essentielle au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques contre ces pathologies. Notre projet permettra également de proposer à la communauté scientifique de nouvelles approches méthodologiques permettant d'analyser la structure et la dynamique d'assemblages macromoléculaires complexes. Les approches méthodologiques seront enseignées lors d'ateliers pratiques et théoriques. Les résultats de ces travaux seront valorisés par des publications dans des journaux spécialisés et seront présentés lors de conférences internationales. Un effort particulier sera mis en œuvre pour une diffusion de nos travaux au grand public.