« Les microtubules sont des composants essentiels des cellules, mais toutes les images que nous voyons dans les manuels décrivant les premiers instants de leur création sont des modèles ou des dessins animés basés sur des structures de levure. Ici, nous capturons le processus en action à l’intérieur des cellules humaines. Maintenant que nous savons à quoi cela ressemble, nous pouvons explorer comment cela est réglementé. Compte tenu du rôle fondamental des microtubules dans la biologie cellulaire, cela pourrait éventuellement conduire à de nouvelles approches thérapeutiques pour un large éventail de troubles », explique le professeur-chercheur de l'ICREA. Thomas Surreyco-auteur principal de l’étude et chercheur au Centre de régulation génomique.

Les « autoroutes » moléculaires de la cellule

Une cellule ressemble beaucoup à une ville animée, nécessitant une infrastructure de pointe pour fonctionner. L'un des composants les plus importants sont les microtubules, des tubes constitués de protéines qui agissent comme des ponts ou des routes qui aident à déplacer les objets et donnent leur forme à la cellule. Surtout, ils sont essentiels à la division cellulaire, garantissant que deux nouvelles cellules peuvent naître d’une cellule mère. Dans les neurones, ils sont absolument essentiels, car ils forment des autoroutes pour le transport sur de longues distances.

Les microtubules sont construits par un grand assemblage de protéines connu sous le nom de complexe annulaire gamma-tubuline (γ-TuRC). Les protéines fonctionnent comme un modèle, établissant de minuscules éléments constitutifs appelés tubulines dans un ordre spécifique. Il s’agit d’un processus appelé nucléation des microtubules, qui revient à poser les premières pierres d’un pont. Une fois les fondations posées, des tubulines sont ajoutées pour rendre le pont aussi long que nécessaire.

Pour que la cellule fonctionne correctement, les microtubules doivent être constitués de treize rangées différentes de tubulines. Il y a quelques années, les chercheurs ont été déconcertés de découvrir que le γ-TuRC humain expose quatorze rangées de tubulines. C’était déroutant car les chercheurs s’attendaient à ce qu’il s’agisse d’un modèle parfait pour les microtubules, ce qui ne semblait pas être le cas. Mais jusqu’à présent, les structures à haute résolution n’avaient été photographiées que de γ-TuRC ou de microtubules isolés et jamais ensemble.

« Nous avons dû trouver des conditions nous permettant d’imager plus d’un million de microtubules en cours de nucléation avant qu’ils ne se développent trop longtemps et n’obscurcissent l’action du γ-TuRC. Nous avons pu y parvenir en utilisant la boîte à outils moléculaire de notre laboratoire, puis congeler les moignons de microtubules en place », explique Claudia Britochercheur postdoctoral au CRG et co-premier auteur de l'étude.

Imagerie haute résolution

Pour observer le γ-TuRC alors qu'il formait activement des microtubules, les chercheurs ont préparé des échantillons au CRG de Barcelone et au Centre de microscopie électronique de l'ALBA (EMCA), où ils ont été congelés dans une fine couche de glace, préservant ainsi la forme naturelle du γ-TuRC. molécules impliquées et aidant à discerner les détails fins des structures à un niveau proche de l’atome. Des échantillons congelés ont ensuite été envoyés à la Ressource Basque pour la Microscopie Electronique (BREM) à Vizcaya, où les données haute résolution générées ont ensuite été transférées pour être analysées au CNIO de Madrid. Marina Serna, Le scientifique du CNIO et co-premier auteur de l’étude a utilisé les images obtenues par microscopie cryoélectronique et des méthodes de traitement d’images complexes pour déterminer la structure 3D du γ-TuRC tout en formant des microtubules.

Cette analyse a révélé que lorsque γ-TuRC démarre le processus de nucléation et que le microtubule commence à se former, il change intelligemment de forme. Initialement ouvert, il se ferme progressivement au fur et à mesure de la croissance du microtubule. Le changement permet à γ-TuRC de ranger l’une de ses 14 tubulines, correspondant ainsi à la conception du microtubule qui n’a besoin que de 13 rangées. L'ensemble du processus est facilité par un mécanisme de verrouillage récemment découvert, révélant que c'est le microtubule en croissance lui-même qui aide le modèle à trouver sa forme correcte.

Oscar Llorca, directeur du programme de biologie structurale au CNIO et co-auteur principal de l'article, explique : « Nous avons visualisé le processus qui initie la formation des microtubules, et nous voyons que le γ-TuRC humain est un anneau ouvert qui se ferme pour devenir effectivement un modèle parfait pour nucléer les microtubules. Mais nous avons également découvert que cet anneau, pour se fermer, a besoin de la mise en place de la « première brique » d'un microtubule ; lorsque cela se produit, une région du γ-TuRC humain agit comme un ancre qui engage cette 'première brique' pour ensuite fermer l'anneau et lancer la formation des microtubules ».

Implications pour la santé humaine et la maladie

La conséquence la plus connue du dysfonctionnement des microtubules est le cancer, une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire incontrôlée. Des troubles du développement neurologique tels que la microcéphalie surviennent également lorsque les processus microtubulaires se détériorent, ainsi que d'autres affections allant des problèmes respiratoires aux maladies cardiaques.

Certains médicaments anticancéreux agissent en ciblant les microtubules, les empêchant ainsi de se désassembler ou de se former. Cependant, ceux-ci perturbent les microtubules sans distinction dans les cellules cancéreuses et saines, entraînant des effets secondaires. Les tumeurs développent également une résistance à ces médicaments.

Les résultats de l’étude sont importants car comprendre le mécanisme précis de formation des microtubules pourrait conduire au développement de traitements contre le cancer plus ciblés et plus efficaces, ainsi qu’à de nouvelles thérapies pour un plus large éventail de pathologies.

« Le processus de nucléation décide où se trouvent les microtubules dans une cellule et combien vous en avez en premier lieu. Il est probable que les changements conformationnels que nous observons soient contrôlés par des régulateurs encore introuvables dans les cellules. Plusieurs candidats ont été décrits dans d’autres études, mais leur mécanisme d’action n’est pas clair. À mesure que des travaux ultérieurs clarifieront la façon dont les régulateurs se lient au γ-TuRC et comment ils affectent les changements de conformation au cours de la nucléation, ils pourraient transformer notre compréhension du fonctionnement des microtubules et éventuellement offrir des sites alternatifs que l'on pourrait cibler pour empêcher les cellules cancéreuses de passer par le cycle cellulaire », conclut le Dr Surrey.