Les microtubules

Structure et dynamique des microtubules

Le fuseau de division est formé d’un ensemble très organisé de microtubules. Ces microtubules forment l’unité de base du fuseau. Un microtubule est une structure tubulaire d’environ 25 nm de diamètre et formé d’un assemblage de treize protofilaments (figure 8). Chaque protofilament est composé d’une succession d’hétérodimères de tubuline α-β. qui s’associent toujours dans la même direction. Les protofilaments s’assemblent en parallèle dans le même sens avec une extrémité (-) exposant des tubulines α, et une extrémité (+) exposant des tubulines β84. De ce fait, les microtubules sont des structures polarisées. Les microtubules sont aussi des structures très dynamiques, qui s’allongent et se raccourcissent en permanence aux deux extrémités. Cependant la polymérisation, c’est à dire l’ajout de tubulines α-β, est plus rapide à l’extrémité (+) qu’à l’extrémité (-), notamment parce que les dimères de tubuline s’ajoutent préférentiellement sur une β tubuline. Ainsi, le microtubule va croître à l’extrémité (+) et se dépolymériser à l’extrémité (-). Ce phénomène est appelé « tapis roulant » (treadmilling) car un dimère de tubuline ajouté à l’extrémité (+) va progressivement se rapprocher de l’extrémité (-) qui dépolymérise84 (figure 9).

La dynamique des microtubules est influencée par la quantité de tubulines libres présente dans le cytoplasme car un équilibre se crée entre la quantité de tubulines libres et la quantité de tubulines polymérisées. Ainsi, plus il y a de tubulines libres, plus les microtubules vont polymériser. La dynamique des microtubules est également influencée par le GTP porté par chaque dimère de tubuline. En effet, peu après l’ajout d’un dimère α-β tubuline à l’extrémité d’un microtubule, le GTP est hydrolysé en GDP. Or les dimères portant un GDP ont une affinité réduite pour les dimères voisins, ce qui se traduit par

Microtubule

Protofilament

Dimère de tubuline

-Figure 8 : Structure d'un microtubule.

Les microtubules sont formés de l'assemblage de 13 protofilaments qui s'associent latéralement entre eux. Ces protofilaments sont des polymères d' α-tubuline et β-α-tubuline.

26

l’incurvation des protofilaments et favorise la dépolymérisation de l’extrémité du microtubule. Ce type d’événement est appelé catastrophe84. Cependant, lorsque la vitesse d’addition de nouvelles sous-unités est plus rapide que la vitesse d’hydrolyse du GTP, il se forme une coiffe de GTP qui stabilise l’extrémité et empêche sa dépolymérisation. La perte de cette coiffe entraine une catastrophe. Ce comportement qui alterne polymérisation et catastrophe est appelé instabilité dynamique85 (figure 10).

Récemment, il a été montré que les microtubules pouvaient aussi incorporer de nouvelles sous-unités sur toute la longueur du microtubule, et en particulier aux endroits où les contraintes mécaniques sont les plus importantes, ce qui favorise la réparation des microtubules dans ces régions86. De la même manière, des ilots de β tubuline liées au GTP subsistent le long de certains microtubules, les protégeant des catastrophes.

Il est paradoxal qu’un polymère dont la fonction est de former des attachements durables avec les chromosomes lors de la métaphase, soit aussi dynamique. Nous verrons que cette instabilité dynamique est néanmoins indispensable pour que le fuseau exerce sa fonction, et ce de la capture initiale du chromosome en prophase à sa ségrégation lors de l’anaphase.

Protéines associées aux microtubules (MAPs)

La dynamique des microtubules est contrôlée par un ensemble de protéines appelées MAPs (Microtubule Associated Proteins). Ces protéines modifient les propriétés structurales des microtubules et contrôlent ainsi la vitesse de polymérisation ou la fréquence des catastrophes87.

Les premières protéines identifiées comme MAPs sont les protéines appartenant à la famille tau (Tubuline-associated unit). Les protéines tau stabilisent les microtubules en se fixant latéralement aux protofilaments, ce qui empêche la courbure des microtubules et donc les catastrophes88. La phosphorylation des protéines tau empêche leur interaction avec les tubulines et donc leur effet stabilisateur des microtubules. En mitose, la protéine MAP4 de la famille des protéines tau, est phosphorylée par CDK1 favorisant ainsi l’instabilité des microtubules nécessaire à la capture des chromosomes89.

CLIP-170 appartient à une autre famille de MAPs stabilisatrice qui s’associe à l’extrémité (+) des microtubules. Elle s’associe uniquement avec la coiffe de GTP tubuline des microtubules, d’où son

Flux de microtubule par le

phénomène du tapis roulant

extrêmité + extrêmité

-dissociation des dimères favorisé

association de nouveaux dimères favorisé

Figure 9 : Le phénomène de tapis roulant.

L'association des dimères de tubuline se fait préférentiellement du côté +, tandis que la dissociation est favorisée à l'extrémité -. Ainsi il existe un flux de microtubule, de l'extrémité + vers l'extrémité - à l'origine du phénomène du taépis roulant (treadmilling en anglais).

27

comportement parfois qualifié de « comète » lorsqu’elle est observée au vidéo-microscope à fluorescence90.

Le recrutement des MAPs à l’extrémité (+) des microtubules est en général dépendant des protéines de la famille EB (end binding). Il existe trois protéines EB chez l’homme, EB1, EB2 et EB3 ayant des fonctions similaires91. Les protéines EB établissent une liaison entre les microtubules et les autres MAPs, grâce à deux domaines de liaison distincts92.

Enfin, XMAP215 (appelée Tog chez l’homme) stabilise les microtubules et favorise leur polymérisation par un autre mécanisme que les protéines tau. XMAP215 agit comme une polymérase des microtubules, qui ajoute successivement des dimères de tubuline aux extrémités (+)93.

La dynamique des microtubules est aussi régulée par des facteurs déstabilisateurs qui augmentent la fréquence de catastrophe. La plus connue des MAPs déstabilisatrice est la kinésine-13 appelée MCAK (Mitotic Centromere Associated Kinesin). Elle est associée au centromère et son rôle consiste à courber l’extrémité (+) des protofilaments pour favoriser leur dépolymérisation94. Elle permet ainsi de détacher les microtubules des kinétochores.

Un autre facteur déstabilisateur est la Stathmine ou OP18 (Oncoprotein 18). Son mode d’action consiste à se lier aux protofilaments et selon les modèles, soit elle empêche l’interaction latérale entre protofilaments, soit elle induit directement la courbure des protofilaments. Après dissociation des dimères du protofilament, OP18 reste associé aux dimères de tubuline et inhibe leur réincorporation, favorisant donc localement la dépolymérisation du microtubule95.

Les moteurs moléculaires forment une large famille de protéines capable de se mouvoir le long des microtubules. Ils appartiennent soit à la famille des kinésines, soit à la famille des dynéines, et utilisent l’hydrolyse de l’ATP couplé à des changements de conformation pour se déplacer. On distingue les moteurs qui se dirigent vers l’extrémité (+) du microtubule (mouvement antérograde) des moteurs qui se dirigent vers l’extrémité (-) (mouvement rétrograde).

Les kinésines se déplacent le plus souvent vers l’extrémité (+), et se répartissent en 14 familles différentes, de la kinésine-1 à la kinésine-1496. Elles permettent de transporter des cargos comme les chromosomes le long des microtubules, de lier des microtubules entre eux et de les faire glisser l’un par rapport à l’autre. Elles peuvent aussi lier les microtubules avec les kinétochores. Elles sont ainsi

Instabilité dynamique des

microtubules

-catastrophe

sauvetage

Figure 10 : Instabilité dynamique des microtubules.

Lorsque l'association des dimères de tubuline est plus rapide que la vitesse d'hydrolyse du GTP en GDP, les dimères nouvellement incorporés présentent tous du GTP, ce qui constitue la coiffe de GTP. Cette coiffe favorise la croissance rapide du microtubule. La perte de cette coiffe peut entraîner la dissociation rapide des dimères de tubuline, appelée catastrophe.