Stabilisation des microtubules neuronaux par les protéines internes des microtubules (MIPs) : décryptage du rôle du motif universel Mn de liaison aux microtubules – NEUROMIP

La stabilité des microtubules (MTs) est essentielle à l'architecture et aux fonctions des neurones. Les protéines situées à l’intérieur des MTs, ou MIPs (MT inner Proteins), contribuent très certainement à la stabilité des MTs neuronaux, par analogie avec l'extrême stabilité des MTs des cils et flagelles contrôlée par des MIPs. Les MTs neuronaux contiennent de nombreuses MIPs dont l’identité était inconnue jusqu’à ce que nous découvrions MAP6 comme la première MIP neuronale de mammifère. MAP6 se lie aux MTs via plusieurs copies du motif Mn récemment apparu comme une signature structurale conservée au cours de l’évolution et cruciale pour la liaison de plusieurs MIPs à la surface interne des MTs ciliaires et flagellaires. Le nombre, l’espacement et la disposition des motifs Mn varient au sein de cette famille de MIPs. Cependant l’impact de cette diversité sur la fonction des MIPs est inconnu.
Notre objectif est d'élucider comment les MIPs neuronales utilisent le motif universel Mn pour réguler la stabilité et l’organisation des MTs. Pour cela, nous nous appuierons sur notre expertise de MAP6 et MAP6D1, les deux seules MIPs contenant des motifs Mn identifiées à ce jour dans les neurones. MAP6 et MAP6D1 présentent des arrangements de motifs Mn distincts, et nos travaux récents montrent qu’elles stabilisent et organisent les MTs différemment : MAP6 induit la croissance lente de MTs hélicoïdaux, alors que MAP6D1 favorise l'assemblage de doublets de MTs très stables. Nous postulons que ces activités distinctes sont contrôlées par les arrangements spécifiques des motifs Mn dans MAP6 et MAP6D1, conduisant probablement à des modes de liaison aux MT différents.
Combinant des approches en systèmes purifiés et des études à haute résolution par cryo-microscopie électronique, nous déterminerons comment les motifs Mn de MAP6 et MAP6D1 définissent leur mode de liaison à la surface luminale des MTs (par exemple en reconnaissant certains groupes de dimères de tubuline et/ou protofilaments) et leurs fonctions régulatrices (formation de MT hélicoïdaux ou doublets de MTs). En parallèle, nous caractériserons l’ultrastructure et la stabilité des différents types d’assemblages microtubulaires induits par MAP6 et MAP6D1 dans divers compartiments neuronaux, incluant les axones, dendrites et cils primaires. Ces données seront corrélées à la longueur et ramification des neurites et à la formation des cils primaires. L’utilisation de protéines MAP6 ou MAP6D1 modifiées sur certains motifs Mn nous permettra d’évaluer la contribution de chaque motif Mn (et combinaison de motifs) sur certains phénotypes neuronaux. Enfin, nous chercherons de nouvelles MIP neuronales contenant des motifs Mn par des approches protéomiques et structurales appliquées à des MTs purifiés à partir de neurones. Ces résultats contribueront à l’identification du répertoire des MIPs neuronales.
Pour réaliser ce programme ambitieux, nous associons les compétences de deux équipes avec des expertises très complémentaires dans l’étude de la structure et des propriétés dynamiques du cytosquelette (équipe I Arnal, GIN, Grenoble) et des approches structurales de pointe par cryo-microscopie électronique (équipe G Schoehn, IBS, Grenoble).
Ce programme révèlera la contribution du motif universel Mn dans les fonctions des MIPs neuronales et permettra d’élucider les mécanismes encore peu compris de la stabilisation des MTs via leur lumen. La combinaison de nos résultats avec les travaux publiés sur les cils et flagelles devrait mettre en évidence comment divers types de cellules utilisent différents arrangements de motifs Mn pour produire des assemblages et réseaux de MTs stables distincts. À plus long terme, la caractérisation structurale/fonctionnelle des motifs Mn pourraient orienter la conception de nouvelles molécules ciblant la lumière des MTs afin de préserver et/ou restaurer les MT stables dans le cadre du traitement des maladies neurodégénératives et psychiatriques, ou des ciliopathies.