De l'or au bout des microtubules

Constituants essentiels de nos cellules, les microtubules se redimensionnent en permanence. L'un des secrets de cette instabilité dynamique se trouve dans la coiffe stabilisatrice de ces structures. Emmenée par l'équipe de Denis CHRÉTIEN, une collaboration européenne vient de dévoiler cette coiffe au niveau moléculaire, ainsi que les changements de conformation qui s'y déroulent. Publication dans Nature Cell Biology.

Nanoparticules d'or (en rouge) conjuguées à la protéine EB1 (en bleu) à l'extrémité d'un microtubule (en jaune). Fond : image de cryo-tomographie électronique (nanoparticules d'or en noir, microtubules en gris. Crédit : A. Guesdon, F. Bazile et al.

Les microtubules sont un composant essentiel du squelette de presque toutes les cellules possédant un noyau. Ce sont des polymères biologiques extrêmement dynamiques d'environ 25 nanomètres de diamètre, pouvant atteindre plusieurs dizaines de micromètres de longueur.

Ils s'assemblent à partir d'une protéine (la tubuline) et participent à de nombreuses fonctions cellulaires : l'organisation interne du cytoplasme, la motilité, le trafic de vésicules intracellulaires. Ils jouent notamment un rôle crucial lors de la division cellulaire : les microtubules permettent la formation du fuseau mitotique, qui répartit les chromosomes de façon équitable dans les deux cellules filles.

Instabilité dynamique et coiffe stabilisatrice

De manière remarquable, les microtubules sont capables d'alterner rapidement et de façon autonome entre des phases de croissance et de décroissance. Ce phénomène, l'instabilité dynamique, repose sur des mécanismes qui ne sont pas encore totalement élucidés à ce jour.

La tubuline utilise une petite molécule (GTP) qui apporte de l'énergie aux microtubules. Cependant, cette énergie n'est pas nécessaire à leur assemblage, mais s'accumule sous forme d'énergie mécanique dans leur paroi devenue ainsi hautement instable, à la manière d'un ressort mis sous tension : l'extrémité des microtubules doit donc être protégée par une coiffe stabilisatrice prévenant leur dépolymérisation rapide.

Or, cette coiffe stabilisatrice n'avait à ce jour jamais été visualisée à l'échelle moléculaire.

Dévoiler la coiffe des microtubules

Pour mettre en évidence la coiffe stabilisatrice présente à l'extrémité des microtubules en croissance, l'équipe de Denis CHRÉTIEN a commencé par conjuguer des nanoparticules d'or à la protéine EB1 ("end-binding protein 1"). EB1 interagit de façon privilégiée avec cette région du microtubule. Seulement, elle est trop petite pour être visualisée directement, même par microscopie électronique.

Pour s'affranchir de cette limitation, les chercheurs ont conjugué EB1 à des nanoparticules d'or, visualisables par les microscopes électroniques. Ils ont ensuite congelé rapidement des microtubules en cours d'assemblage dans de l'éthane liquide (environ -184°C).

Enfin, ils sont parvenus à imager ces microtubules par cryo-tomographie électronique. Cette méthode de microscopie électronique, encore peu répandue en France, est mise en œuvre à Rennes par l'équipe TIPs sur la plateforme MRic de la structure fédérative de recherche Biosit. Elle permet d'imager des assemblages macromoléculaires complexes dans leur état hydraté, puis d'en obtenir des reconstructions tridimensionnelles à l'échelle nanométrique.

Ce travail a été réalisé dans le cadre de la thèse du Dr. Audrey Guesdon et du post-doctorat du Dr. Franck Bazile, tous deux co-premiers auteurs de l'article.

 

La tubuline liée au GTP (bêta-tubuline-GTP en bleu) polymérise sous forme de feuillets courbes à l'extrémité des microtubules. Ces feuillets se redressent progressivement et se referment en tube. Lors de ce processus, la tubuline hydrolyse une molécule de GTP en GDP (bêta-tubuline-GDP en rouge). Ce mécanisme impliquerait la formation d'un intermédiaire tubuline-GDP-Pi (bêta-tubuline-GDP en jaune) participant à la structure de la coiffe stabilisatrice des microtubules. Après relargage du phosphate inorganique (Pi), la paroi formée de molécules de tubuline-GDP est dans un état instable, et l'ensemble de l'édifice est maintenu par la coiffe de molécules de tubuline-GTP et -GDP-Pi à son extrémité en croissance. La perte aléatoire de cette coiffe serait à l'origine des évènements stochastiques de dépolymérisation rapide du microtubule (dénommés "catastrophes"), et sa reformation permettrait les évènements inverses (dénommés "sauvetages"). Crédit : A. Guesdon, F. Bazile, D. Chretien et al.

Lumière sur l'action des médicaments anticancéreux

Leur instabilité dynamique permet aux réseaux de microtubules de se réorganiser rapidement en fonction des besoins de la cellule. Ce mécanisme est précisément régulé par un ensemble de protéines au cours du cycle et de l'activité cellulaire, et peut être modulé par des molécules à activité pharmaceutique. Par exemple, les taxoïdes utilisés dans le traitement de certains cancers agissent en se liant à l'extrémité des microtubules en croissance, et donc à la coiffe stabilisatrice des microtubules mise en évidence au cours de cette étude.

L'équipe de Denis CHRÉTIEN collabore aujourd'hui avec un laboratoire pharmaceutique (Eisai Inc.) pour localiser précisément à l'extrémité des microtubules une molécule antimitotique (Eribuline) utilisée dans le traitement du cancer du sein et du liposarcome. Ce nouveau projet a déjà reçu le soutien de la Ligue Contre le Cancer et de l'Université de Rennes 1.

Collaboration et référence

Collaboration

Ces travaux sont le fruit d'une collaboration entre plusieurs laboratoires européens :

  • L'équipe du Dr. Denis CHRÉTIEN (Institut de Génétique et Développement de Rennes) spécialisée dans l'analyse de complexes macromoléculaires par cryo-tomographie électronique.
  • L'équipe du Pr. Michel O. STEINMETZ (Institut Paul Scherrer, Villigen, Suisse) spécialisée dans l'analyse de protéines par cristallographie aux rayons X.
  • L'équipe du Dr. Anna AKHMANOVA (Université d'Utrecht, Hollande) spécialisée dans l'imagerie des protéines liées aux microtubules par microscopie à ondes évanescentes.
  • L'équipe du Pr. Robert TAMPÉ (Université Goethe, Francfort, Allemagne) spécialisée dans la chimie de petits ligands.
  • Le Dr. Rubén M. BUEY (Université de Salamanque, Espagne) spécialiste de la biologie moléculaire de la tubuline. 

Référence

EB1 interacts with outwardly curved and straight regions of the microtubule lattice
Audrey Guesdon, Franck Bazile, Rubén M. Buey, Renu Mohan, Solange Monier, Ruddi Rodríguez García, Morgane Angevin, Claire Heichette, Ralph Wieneke, Robert Tampé, Laurence Duchesne, Anna Akhmanova, Michel O. Steinmetz, Denis Chrétien
Nature Cell Biology doi:10.1038/ncb3142

EN SAVOIR PLUS

Article orginellement publié sur le site web de l'Université de Rennes 1, le 12 septembre 2016.

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