Publication Scientifique dans eLife

Changes in seam number and location induce holes within microtubules assembled from porcine brain tubulin and in Xenopus egg cytoplasmic extracts. Charlotte Guyomar, Clément Bousquet, Siou Ku, John Heumann, Gabriel Guilloux, Natacha Gaillard, Claire Heichette, Laurence Duchesne, Michel O. Steinmetz, Romain Gibeaux, Denis Chrétien. eLife.83021
 
 
Les microtubules sont des polymères tubulaires de l'hétérodimère des tubulines α et β impliqués dans de nombreuses fonctions essentielles telles que la séparation du matériel génétique lors de la division des cellules, leur motilité, le mouvement intracellulaire d'organites, et plus généralement l'organisation de leur cytoplasme. En 1974, l'observation de microtubules par microscopie électronique a suggéré que les hétérodimères αβ s'organisaient de façon hélicoïdale dans la paroi des microtubules en engageant des interactions latérales hétérotypiques de type α-β et β-α (1974 ; courbes pointillées). Cependant, en 1993 des travaux utilisant une protéine qui se lie uniquement à la sous-unité β de la tubuline, le domaine moteur de la kinésine, ont montré que les interactions latérales entre monomères étaient majoritairement homotypiques, de type α-α et β-β, excepté au niveau d'une ligne unique, nommée jointure (1993 ; Seam). Peu de temps après, en 1994 il a été montré que des microtubules assemblés à partir de tubuline purifiée pouvaient contenir plusieurs jointures (1994 ; Multi-seams).

 

Nos connaissances sur la structure des microtubules reposent essentiellement sur des expériences réalisées à partir de tubuline purifiée, et nous manquons crucialement de données concernant l'organisation de la tubuline au sein des microtubules présents dans les cellules. Ainsi, notre perception actuelle de l'organisation des hétérodimères αβ de tubuline dans la paroi des microtubules reste celle d'un réseau homogène interrompu par une jointure unique, tel que décrit en 1993. Afin de questionner ce paradigme solidement ancré dans la littérature, le Dr. Charlotte Guyomar et ses collègues ont utilisé la cryo-tomographie électronique pour déterminer la structure tridimensionnelle de microtubules assemblés à partir de tubuline purifiée et au sein d'extraits cytoplasmiques d'ovocytes de xénope plus proches de l'état cellulaire. Cette équipe de l'Institut de Génétique et Développement de Rennes, en collaboration avec celle du Pr. Michel Steinmetz (Institut Paul Scherrer, Villigen, Suisse) et le Dr. John Heumann (Université de Boulder, Colorado, Etats-Unis), a développé une méthode permettant d'effectuer des reconstructions tridimensionnelles de segments de microtubules liés au domaine moteur de la protéine kinésine. Cette méthode de segmentation de sous-tomogrammes moyennés leur a permis de mettre en évidence des changements en nombre de jointures et/ou de leur localisation au sein de microtubules individuels, impliquant l’apparition de trous d'une à quelques sous-unités dans leur paroi, qu’ils soient assemblés à partir de tubuline purifiée ou au sein d'extraits cytoplasmiques (2022 ; étoiles).

 

Ces observations, publiées dans la revue eLife en décembre 2022, questionnent notre compréhension de l'assemblage et de la dynamique d'échange des molécules de tubuline au sein des microtubules. Elles impliquent un nouveau mécanisme d'assemblage mettant en jeu la formation d'interactions latérales uniques en l'absence d'interactions longitudinales, et donnent une explication aux découvertes récentes suggérant que la dynamique d'échange des molécules de tubuline ne se situe pas uniquement aux extrémités des microtubules, mais également au sein de leur paroi. En montrant que ces défauts d'assemblage se produisent également dans un environnement cytoplasmique, mais à une fréquence très inférieure à celle observée dans des microtubules assemblés à partir de tubuline purifiée, les travaux du Dr. Charlotte Guyomar et de ses collègues suggèrent des mécanismes de régulation précis au niveau cellulaire, notamment par les protéines associées aux microtubules. Ces travaux permettent aux auteurs de proposer le concept original 'd'instabilité structurale des microtubules' sur lequel pourrait reposer leur instabilité dynamique, cette dernière étant essentielle à leurs fonctions clés dans les cellules.