Recherche de l'équipe TIPs

La mitose est centrale à la vie car elle garantit la ségrégation fidèle des chromosomes répliqués vers les cellules filles. Ce processus repose sur le fuseau, une structure dynamique et bipolaire composée de microtubules. La morphologie du fuseau varie énormément selon les espèces et les cellules afin d'optimiser sa fonction. La taille et l'architecture du fuseau, en particulier, sont toutes deux essentielles pour la ségrégation correcte des chromosomes, la division cellulaire et la cytokinèse. Néanmoins, on ne comprend pas encore comment les sous-populations de microtubules du fuseau s'organisent en ensembles complexes. En particulier, la manière dont la morphométrie correcte du fuseau, tant au niveau de sa taille que de son architecture, est établie et maintenue est mal comprise. Nous abordons cette question à de multiples échelles, de la tubuline et des MAPs aux microtubules et aux fuseaux, en suivant trois objectifs principaux complémentaires.

Comprendre les bases structurales de la dynamique d’assemblage des microtubules in vitro

Les microtubules s'organisent en assemblages complexes de grandes tailles, hautement dynamiques et adaptables pour remplir diverses fonctions cellulaires, l'un des assemblages les plus spectaculaires étant le fuseau. Cette adaptabilité repose sur la propriété intrinsèque qui caractérise les microtubules : leur instabilité dynamique. Bien que cette propriété ait été découverte il y a près de 40 ans, les bases structurales qui la régule ne sont toujours pas bien comprise. En particulier, les modèles actuels ne décrivent pas comment les interactions latérales entre les molécules de tubulines sont déstabilisées par l'hydrolyse du GTP. Dans ce contexte, nous analysons à haute résolution des microtubules assemblés in vitro en présence d’analogues du GTP pour révéler les bases structurales régissant ces changements conformationnels.

EB1-gold suit la croissance des extrémités des microtubules. En fond : coupe virtuelle d'un cryo-tomogramme électronique. Image en couleur : Structure haute résolution d'un microtubule (jaune) inséré dans la densité du cryo-tomogramme électronique d'un microtubule avec des nanoparticules d'or (rouge) en interaction avec son extrémité en croissance dynamique. La représentation d’EB1 (bleu), basée sur sa structure SAXS (diffraction des rayons X aux petits angles), a été placée arbitrairement entre le microtubule et les nanoparticules d'or. Guesdon, Bazile et al. Nat Cell Biol. 2016 sept.

In vivo, la dynamique des microtubules est finement régulée par les MAPs (protéines associées aux microtubules) qui sont capables de les stabiliser ou de les déstabiliser. L'assemblage de grandes structures de microtubules tels que le fuseau métaphasique nécessite une régulation fine entre tous ces acteurs. Comme les études précédentes sur l’origine de la dynamique des microtubules, des études sur les MAPs sont essentielles pour construire des modèles réalistes d'assemblages supramoléculaires tels que le fuseau. Nous étudions donc à haute résolution, sur des microtubules assemblés in vitro, des MAPs impliquées dans l'architecture des fuseaux d’extraits d’ovocytes de Xénope, pour comprendre leur mode de liaison ainsi que leur influence sur la structure, la dynamique et l'architecture des microtubules.

Références associées
Structural model for differential cap maturation at growing microtubule ends 
Estévez-Gallego J*, Josa-Prado F*, Ku S*, Buey RM, Balaguer FA, Prota AE, Lucena-Agell D, Kamma-Lorger C, Yagi T, Iwamoto H, Duchesne L, Barasoain I, Steinmetz MO, Chrétien D, Kamimura S, Díaz JF, Oliva MA
Elife 2020 Mar.
*Co-first authors
Lattice defects induce microtubule self-renewal
Schaedel L, Triclin S, Chrétien D, Abrieu A, Aumeier C, Gaillard J, Blanchoin L, Théry M, John K
Nature Physics, 2019, Jan.
EB1 interacts with outwardly curved and straight regions of the microtubule lattice
Guesdon A*, Bazile F*, Buey RM, Mohan R, Monier S, Rodríguez García R, Angevin M, Heichette C, Wieneke R, Tampé R, Duchesne L, Akhmanova A, Steinmetz MO, Chrétien D
Nat Cell Biol. 2016 Sep.
*Co-first authors

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Décrypter le contrôle moléculaire de l'architecture des fuseaux au sein d’extraits cytoplasmiques

Les fuseaux sont de grandes structures au sein desquelles différentes populations de microtubules coopèrent pour le construire correctement et en réguler la morphologie. Pour simplifier le fuseau, nous étudions les sous-populations de façon indépendante, tout en comparant leur assemblage entre deux espèces de Xénopes ayant des fuseaux de tailles et d'architectures différentes.

Collage coloré des fuseaux de Xenopus laevis (haut) et Xenopus tropicalis (bas) montrant les différences de taille et d'architecture des fuseaux avec les microtubules marqués à la tubuline de rhodamine et des chromosomes avec un marqueur de l'ADN, le Hoechst. Les fuseaux ont été assemblées in vitro en utilisant des extraits d’ovocytes de Xénope. Modifié d'après Gibeaux et Heald, Cold Spring Harb Protocol, 2019, image de couverture du numéro de juin.

En utilisant les extraits d’ovocytes de X. laevis et X. tropicalis, nous reconstruisons des structures de microtubules assemblées à partir des deux principaux sites d'organisation qui contribuent à l'assemblage des fuseaux, (i) les pôles et (ii) la chromatine. Nous combinons des analyses par microscopie à fluorescence et tomographie électronique afin de comprendre la dynamique et les bases ultrastructurales de la variation de taille et d'architecture de ces différentes populations de microtubules. Nous extrayons également des paramètres quantitatifs pour les combiner dans des simulations physiquement réalistes à l'aide de Cytosim dans le but de révéler les bases biophysiques des différentes tailles et architectures, et in fine leur implication dans la régulation de la morphologie du fuseau.

Références associées
Spindle assembly in egg extracts of the Marsabit clawed frog, Xenopus borealis.
Kitaoka M, Heald R, Gibeaux R
Cytoskeleton, 2018, Jun.
Subcellular scaling: Does size matter for cell division?
Heald R, Gibeaux R
Curr Opin Cell Biol, 2018, Jun.
Paternal chromosome loss and metabolic crisis contribute to hybrid inviability in Xenopus.
Gibeaux R, Acker R, Kitaoka M, Georgiou G, van Kruijsbergen I, Ford B, Marcotte EM, Nomura DK, Kwon T, Veenstra GJC, Heald R
Nature. 2018 Jan.

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Développer des outils de pointe en microscopie optique et électronique

Pour suivre et répondre aux défis soulevés par nos projets de recherche, nous adaptons et développons constamment diverses méthodes de microscopie, notamment la microscopie en expansion, des sondes protéiques corrélatives basées sur notre technologie de nanoparticules, la ChromEMT ainsi que des pipelines complexes d'analyse d’images basés sur notre logiciel TubuleJ.

 

Microtubules à 13 protofilaments assemblés en présence de GDP-BeF3- (gauche), GTP (milieu), et GMPCPP (droite), et reconstruit en 3D à l’aide du logiciel TubuleJ. Extrait de Estévez-Gallego, Josa-Prado, Ku et al., eLife, 2020.

 

Microscopie en expansion de fuseaux de X. laevis (gauche) et X. tropicalis (droite) reconstruits en extraits cytoplasmiques et observés sur un microscope conventionnel avec un objectif 40x à air. Barre de 40 µm.

Références associées
A Fourier-based method for detecting curved microtubule centers: Application to straightening of cryo-electron microscope images.
Blestel S, Kervrann C, Chrétien D
Proceedings of the IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro., Boston. 2009, June 28-July 1. > pp. 298-301
Robust ligand shells for biological applications of gold nanoparticles.
Duchesne L, Gentili D, Comes-Franchini M, Fernig DG
Langmuir, 2008 Dec.

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