Biologie cellulaire 06: Le Cytosquelette Partie II: Tubuline

Ce sont des notes de la conférence 6 du cours de biologie cellulaire de Harvard Extension.

La semaine dernière, nous avons couvert des microfilaments, qui sont faits d’actine. Cette semaine : microtubules, faits de tubuline. Pourquoi, demandez-vous, le cytosquelette a-t-il besoin de deux systèmes distincts? Considérez que les microfilaments ne sont que des chaînes de sous-unités individuelles, alors que les microtubules sont littéralement des tubes –comme nous le verrons bientôt) – des cylindres creux avec des parois faites de chaînes faites de dimères. Ces différentes structures signifient des capacités différentes: les microfilaments peuvent plus facilement se former spontanément, et se ramifier (à l’aide d’Arp2/3 et d’autres complexes discutés la dernière fois) afin de former différentes formes de réseau et de relier différentes parties de la cellule. Les microtubules dépendent plus fortement de la nucléation pour se former et constituent essentiellement un réseau de rayons reliant le centrosome à la périphérie de la cellule. En pratique, les microfilaments sont abondants dans le cortex cellulaire et fortement impliqués dans les mouvements contractiles et la motilité cellulaire, tandis que les microtubules sont les plus impliqués dans l’organisation des organites et servent de pistes pour le transport antérograde et rétrograde.

Microtubules

( Image grâce à l’utilisateur de Wikimedia Commons Jeffrey81)

En plus de Wikipedia, les éditions précédentes des manuels de biologie cellulaire Lodish et Cooper disponibles sur NCBI sont également d’excellentes références.

La structure tubulaire des microtubules est plus robuste que les microfilaments, ce qui permet de tirer et de pousser beaucoup. Bien que robustes, les microtubules dépendent de la température – ils se dépolymérisent s’ils sont refroidis à 4 ° C et se repolymériseront à nouveau s’ils sont chauffés à 37 ° C à condition que le GTP soit disponible.

Le composant de base des microtubules est un dimère α-tubuiline/β-tubuline (codé respectivement par les gènes TUBA_ et TUBB_). Les protéines de tubuline individuelles pèsent chacune ~ 55kDa, donc à ~ 110Da / acide aminé, c’est de l’ordre de 500 acides aminés. L’α- et la β-tubuline lient le GTP, mais α s’y accroche à peu près pour toujours, alors que dans β, il peut être échangé ou hydrolysé en GDP, puis échangé contre un nouveau GTP.

Des brins de dimères α/β consécutifs constituent des protofilaments, et 13 protofilaments disposés côte à côte dans un cylindre forment un microtubule. L’espace entre les protofilaments est appelé « couture ». Le microtubule entier a un diamètre d’environ 25 nm. Vous pouvez voir sa structure (faite de dimères et de protofilaments) dans la Vie interne du segment cellulaire à propos des microtubules:

Au sein de chaque dimère, la sous-unité β est l’extrémité (+), favorisée pour la polymérisation et l’extrémité α est l’extrémité (-), favorisée pour la dépolymérisation. Les microtubules se forment essentiellement selon les trois mêmes étapes que les microfilaments – nucléation, allongement et état d’équilibre. Mais contrairement aux microfilaments, ils ne se nucléent pas facilement d’eux-mêmes, la nucléation nécessite donc des centres d’organisation des microtubules (MTOC). Les cellules qui ne se divisent pas ont chacune un seul MTOC, appelé centrosome. (Ceci est également représenté dans la vidéo ci-dessus). Situé près du noyau, le centrosome est au centre d’une configuration radiale de microtubules avec des extrémités (-) pointées et des extrémités (+) pointant vers la périphérie de la cellule.

Le centrosome est composé de 2 cylindres appelés centrioles. Chaque centriole est constitué de 9 séries de 3 microtubules fusionnés latéralement, entourés d’un « matériau péricentriolaire » amorphe riche en éléments favorisant la nucléation, en particulier les complexes cycliques γ–tubuline (la tubuline gamma est codée par les gènes TUBG_). la γ-tubuline est considérée comme une « rondelle fendue »:

Le modèle est que les extrémités fendues permettent à la γ-tubuline de se lier à la α-tubuline – c’est-à-dire l’extrémité (-) d’un microtubule à former – fournissant la graine de nucléation pour qu’un microtubule se forme.

Des microtubules peuvent être formés in vitro. La dynamique dépend principalement des concentrations critiques. L’extrémité (-) est moins inclinée vers la polymérisation que l’extrémité (+), de sorte qu’elle a une concentration critique plus élevée. Si la concentration réelle se situe entre les concentrations critiques des deux extrémités, le tapis roulant se produit.

Lorsqu’un microtubule commence soudainement à se dissocier, cela s’appelle une « catastrophe ». Les catastrophes ont une dynamique énergétique intéressante. Rappelons que la bêta-tubuline, qui est l’extrémité (+) où l’élongation se produit, peut être liée au GTP ou au PIB. C’est une partie plus stable de son microtubule lorsqu’il est lié au GTP; la tubuline liée au GDP est susceptible de se dissocier. Les microtubules se forment principalement par addition de bêta-tubuline liée au GTP à l’extrémité (+), mais après avoir été ajoutées, les molécules de bêta-tubuline hydrolysent plus tard leur GTP, les laissant liées au GDP. Il y a donc une sorte de « pointe » du microtubule qui est liée au GTP, tandis que la bêta-tubuline plus profonde dans le microtubule, ajoutée il y a plus longtemps, est liée au PIB. Si la frontière de l’hydrolyse du GTP rattrape la pointe, ou si quelque chose arrive à sectionner le microtubule, alors la bêta-tubuline liée au GDP, moins stable, devient exposée et les protofilaments commenceront à se décoller comme des « cornes de bélier ». Si cela se produit, le microtubule se démontera jusqu’à ce qu’il frappe une « île » de bêta-tubuline liée au GTP quelque part plus loin dans la paille. La catastrophe peut être « sauvée » par l’ajout de nouveaux dimères de tubuline liés au GTP qui coifferont les extrémités et stabiliseront les protofilaments, permettant au microtubule de se reformer. Vous pouvez voir dans cette vidéo que la dépolymérisation des microtubules peut être beaucoup plus rapide que la polymérisation:

Voici quelques composés utiles pour étudier les microtubules. La colchicine, un médicament anti-goutte, lie les dimères alpha-bêta libres, réduisant leur apport pour la formation de microtubules et favorisant ainsi la dépolymérisation. Le nocodazole interfère également avec la formation de nouveaux microtubules et, comme la formation de nouveaux microtubules est importante pour la mitose, le nocodazole est un médicament anticancéreux antinéoplasique. Inversement, le paclitaxel (taxol), un autre médicament anticancéreux, agit en stabilisant les microtubules, car la dégradation des microtubules existants est également importante pour la mitose.

Les protéines associées aux microtubules (cartes) ont différents rôles. Il convient de noter MAP4 (dans les cellules non neuronales), MAP2 (dans les neurones) et Tau (dans les neurones; codé par le gène MAPT). Tous ces éléments ont en commun d’agir pour stabiliser les microtubules, en déplaçant la cinétique en faveur de la croissance des microtubules et contre la catastrophe. Chacun contient un étirement de 18 acides aminés avec des acides aminés chargés positivement qui se lient à la partie négative des microtubules. Ils peuvent agir pour regrouper plusieurs microtubules ensemble, le MAP2 tenant les microtubules à une plus grande distance en raison de son bras plus long (par rapport au Tau).

Les cartes sont régulées par phosphorylation: les protéines kinases de MARQUE lient de manière covalente des groupes phosphate aux acides aminés S, T ou Y dans les protéines MAP, réduisant ainsi leur capacité à se lier aux microtubules. (Les kinases dépendantes de la cycline régulent également les cartes pendant la mitose). On pense que ces cartes agissent pour déterminer la structure physique des cellules. Dans les neurones, MAP2 se trouve dans les dendrites et Tau est principalement dans l’axone. Des mutations dans le gène MAPT qui code pour Tau provoquent une démence frontotemporale (FTD). On trouve du Tau hyperphosphorylé (bien que nous ne sachions pas pourquoi) dans le cerveau des patients atteints d’Alzheimer. Les modèles murins de ces deux maladies montrent une dégénérescence axonale, ce qui signifie que Tau ne peut pas faire son travail de stabilisation des microtubules dans l’axone.

Une autre classe de protéines, nommées +Tips pour leur liaison à l’extrémité (+) des microtubules, peut protéger contre les catastrophes. Ils semblent s’étendre dans le microtubule. Cette vidéo montre que EB-1 est poussé vers l’extérieur parce que les extrémités des microtubules se développent:

D’autres protéines de liaison aux extrémités favorisent la catastrophe plutôt que la stabilité. La kinésine-13 agit pour courber l’extrémité des protofilaments, abaissant le seuil de catastrophe. La stathmine (gène STMN1; alias Op18, où Op signifie oncoprotéine) se lie aux dimères de tubuline au sein d’un protofilament, favorisant à la fois la catastrophe immédiate et éventuellement l’hydrolyse du GTP, ce qui, en éliminant les « îles » de bêta-tubuline liée au GTP, représenterait davantage un investissement à long terme en faveur de la catastrophe. La stathmine est régulée par phosphorylation. Katanin (d’après l’épée japonaise katana) coupe littéralement les microtubules.

Les protéines motrices des microtubules sont largement similaires aux protéines motrices des microfilaments. Ils viennent en deux familles: les kinésines, dont la plupart se déplacent antérograde, c’est-à-dire vers l’extrémité (+); et les dynéines, dont la plupart se déplacent rétrogrades, c’est-à-dire vers l’extrémité (-). Ils « marchent » comme ceci:

La kinésine et la dynéine sont impliquées dans les organites mobiles, l’endocytose et l’exocytose, et la ségrégation chromosomique pendant la méiose & mitose.

La kinésine-1, la mieux étudiée des kinésines, est une kinésine « conventionnelle » en ce sens qu’elle fonctionne comme un tétramère composé de deux unités de chaîne lourde (gènes KIF1 par ex. KIF1A) qui comprennent les domaines de « tête » qui hydrolysent l’ATP et lient les microtubules, et deux unités de chaîne légère (gènes KLC par exemple KLC1) qui comprennent une « queue » qui lie la cargaison, dans ce cas des vésicules. Un domaine d’éditeur de liens (de quelle protéine fait-il partie ?) permet la dimérisation de deux chaînes lourdes.

Voici une vidéo de celui-ci en action. Notez que la vidéo l’appelle un dimère au lieu d’un tétramère; Je pense que c’est parce qu’ils ne considèrent que les têtes et ne discutent pas des queues.

Certaines des autres kinésines diffèrent un peu:

• La kinésine-2, qui effectue également le transport des organites vésiculaires &, est un hétérotrimère avec deux chaînes lourdes différentes (bien que apparentées) et un autre polypeptide qu’elle utilise pour réguler sa cargaison.
• La kinésine-5 a des têtes aux deux extrémités au lieu d’une tête et d’une queue, de sorte qu’elle marche dans des directions opposées sur deux microtubules différents, les tirant ensemble. C’est ce qu’on appelle le « mouvement bipolaire ».
• La kinésine-14 est la seule kinésine connue qui se déplace vers l’extrémité (-), et elle est impliquée dans la mitose.

Les principes du mouvement de « marche » sont à peu près les mêmes pour toutes les kinésines, cependant, et sont ce qui est décrit dans la dernière vidéo ci-dessus. Lorsqu’elles ne sont pas liées à un microtubule, les « têtes » sont toutes deux liées à l’ADP. Une tête rencontrera un microtubule et s’y liera, libérant son ADP, permettant à un ATP de le remplacer. La liaison ATP induit un changement conformationnel qui tire sur l’éditeur de liens, balançant l’autre, la tête « en retard » vers l’avant en position de tête où elle se lie au microtubule. La tête d’origine hydrolyse ensuite l’ATP qui libère du phosphate (qui est abrégé en Pi dans la vidéo) et fournit l’énergie pour la seule étape énergétiquement ascendante de ce processus, qui se détache du microtubule.

La myosine (la protéine motrice qui marche sur les microfilaments) et la kinésine ont des structures très similaires mais aucune similitude de séquence d’acides aminés. On pense donc qu’ils ne sont pas des paralogues, mais plutôt un exemple d’évolution convergente.

Les gens parlent beaucoup des kinésines en partie parce que nous ne comprenons pas aussi bien les dynéines. Les dynéines sont d’énormes protéines, composées de 2 grandes, 2 sous-unités intermédiaires et 2 petites sous-unités. Leur taille les a rendus difficiles à isoler et à caractériser et leur fonctionnement n’est pas bien compris. Nous savons que le complexe de dynactine (un complexe multi-protéines; les dynactines elles-mêmes sont les gènes DTCN_) est impliqué comme un « adaptateur » qui relie la dynéine à la cargaison.

Cette vidéo résume l’ensemble du cytosquelette et des cordes dans une grande partie du matériel de la semaine dernière et de cette conférence:

PrP

Comme mentionné dans les notes sur la voie sécrétoire, la PrP est ancrée à la membrane par GPI et subit une endocytose très régulièrement, créant des vésicules endocytaires contenant de la PrP. Encalada 2011 constate que la kinésine-1C et la DHC1 (chaîne lourde dynéine 1) sont responsables du transport de ces vésicules PRP respectivement antérograde et rétrograde. Lorsque Encalada a assommé, renversé ou inhibé la kinésine-1C, le mouvement antérograde et rétrograde a été réduit, et de même lorsque DHC1 a été perturbé. Il semble donc que ces deux complexes, bien qu’ils se déplacent dans des directions opposées, s’activent l’un l’autre. Et fait intéressant, la perturbation de ces protéines motrices n’a pas empêché les vésicules de PrP de s’associer aux moteurs – elles ne se déplaçaient tout simplement pas aussi vite ou aussi souvent. L’article a un certain nombre d’autres conclusions de biologie cellulaire sur la nature de la façon dont les vésicules activent les protéines motrices et comment la direction du transport est déterminée.