Une nouvelle perspective sur la régulation des microtubules – APERTuRe

Notre objectif est d'étudier les propriétés temporelles et spatiales de l'échange de tubuline dans la paroi de microtubules. Dans cette perspective, nous combinerons des expériences sur la dynamique de la paroi des microtubules par microscopie à fluorescence (TIRF) avec des données structurales obtenues par cryo-microscopie électronique. En outre nous utiliserons des simulations de type Monte Carlo pour élucider les mécanismes sous-jacents de l’échange de tubuline dans la paroi, en accord avec nos données expérimentales.

Dans un premier temps, nous avons caractérisé le renouvellement spontané du réseau dans la paroi du microtubule en utilisant une approche expérimentale et théorique combinée. Nous avons découvert que les forces thermiques sont suffisantes pour remodeler le réseau des microtubules, malgré son apparente stabilité. Nos données expérimentales et nos simulations numériques sur la dynamique et la structure du réseau suggèrent que les dimères peuvent spontanément quitter la paroi et y être incorporés à l'aide de défauts structurels. Nous avons proposé un mécanisme modèle, où la dynamique du réseau est initiée par une augmentation des contraintes mécaniques à proximité de défauts de dislocation, qui sont fréquentes dans les microtubules à croissance rapide.

Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé expérimentalement l'effet des moteurs moléculaires sur le remodelage de la paroi des microtubules. Les moteurs moléculaires de type kinésine et dynéine utilisent l'hydrolyse de l'ATP pour effectuer un travail mécanique et se déplacer le long des microtubules. Cela soulève la possibilité que les forces produites par les moteurs puissent affaiblir les interactions des dimères et endommager les microtubules. Nos expériences in vitro montrent que le travail mécanique des moteurs moléculaires peut retirer les dimères de tubuline du réseau et détruire rapidement les microtubules. En utilisant des dimères de tubuline marqués par fluorescence, nous avons découvert que l'élimination des dimères par les moteurs était compensée par l'insertion de dimères de tubuline libres dans le réseau de microtubules. Ce mécanisme d'autoréparation permet aux microtubules de survivre aux dommages induits par les moteurs moléculaires lorsqu'ils se déplacent le long de leur trajectoire. Notre étude révèle l'existence d'un couplage entre le mouvement des moteurs et le renouvellement du réseau de microtubules.

Les microtubules sont des éléments clés de la structure interne des cellules vivantes. Il semblait bien établi que leur dynamique était limitée aux processus d'élongation et de raccourcissement aux extrémités. Or, nous avons découvrert, que les défauts topologiques engendrent une dynamique spontanée dans la paroi des microtubules, offrant ainsi un nouveau levier de régulation de leur stabilité.

L. Schaedel, S. Triclin, D. Chrétien, A. Abrieu, C. Aumeier, J. Gaillard, L. Blanchoin, M. Théry, K. John (2019) Lattice defects induce microtubule self-renewal. Nature Physics 15 : 830. doi:10.1038/s41567-019-0542-4.
S. Triclin, I. Daisuke, J. Gaillard, Z.M. Htet, M. De Santis, D. Portran, E. Derivery, C. Aumeier, L. Schaedel, K. John, C. Leterrier, S.L. Reck- Peterson, L.. Blanchoin, M. Thery (2020) Self- repair protects microtubules from their destruction by molecular motors. BioRxiv : 499020. doi:10.1101/499020.

Les microtubules sont au cœur de la régulation de nombreux processus cellulaires comme la division cellulaire et le transport intracellulaire. De ce fait, ils sont des cibles thérapeutiques privilégiées contre des pathologies graves, comme les maladies neurodégénératives et le cancer. La compréhension de leur fonctionnement constitue un défi majeur de la biologie cellulaire et de la santé humaine.

Il est bien établi que la dynamique des microtubules est limitée au processus d’élongation et de raccourcissement aux extrémités. L’hydrolyse irréversible de la tubuline-GTP à l’extrémité des microtubules entraine un phénomène hors-équilibre appelé « instabilité dynamique ». Cette propriété est cruciale pour de nombreux processus cellulaires. Par exemple, lors du positionnement du fuseau mitotique, les microtubules oscillent rapidement entre des phases d’élongation et de raccourcissement. Depuis la découverte de l’instabilité dynamique il y a plus de 30 ans, la recherche sur la régulation des microtubules s’est focalisée principalement sur des mécanismes qui opèrent aux extrémités des microtubules. Or, pendant l’interphase, les microtubules survivent davantage et la paroi des microtubules loin des extrémités devient un endroit potentiel de régulation de leur stabilité.

Récemment, nous avons fait une découverte inattendue : la paroi des microtubules, loin des extrémités, peut être le site d’échange de dimères de tubuline. Nos données préliminaires indiquent que cet échange localisé dépend de défauts de structure formés au cours de l’assemblage des microtubules.

Nous proposons donc d’étudier ce nouveau mécanisme d’échange au sein de microtubules dynamiques, c. a. d. non stabilisés au Taxol, à l’aide d’approches in vitro. Nous nous intéresserons à la dynamique spontanée de dimères de tubuline en réponse aux forces thermiques (en absence de forces mécaniques ou de facteurs biochimiques). Nous disséquerons les propriétés temporelles et spatiales de l’échange de tubuline pour parvenir à une meilleure compréhension des propriétés physicochimiques intrinsèques aux microtubules.
Dans cette perspective, nous combinerons des expériences sur la dynamique de la paroi des microtubules par microscopie à fluorescence (TIRF) avec des données structurales obtenues par cryo-microscopie électronique. En outre nous utiliserons des simulations de type Monte Carlo pour élucider les mécanismes sous-jacents de l’échange de tubuline dans la paroi, en accord avec nos données expérimentales. Notre équipe de recherche réunit l’expertise nécessaire : Manuel Théry (microscopie à fluorescence en TIRF, IUH Paris), Denis Chrétien (cryo-microscopie électronique, IGDR Rennes) et Karin John (modélisation, LIPhy Grenoble).

Potentiellement, un échange continu de tubuline introduit des dimères de tubuline-GTP dans la paroi, qui pourrait stabiliser le microtubule contre une dépolymérisation. En outre, ces dimères peuvent être reconnus par des protéines régulatrices, qui sont aussi présentes à l’extrémité des microtubules.