Des chercheurs du Centre de régulation du génome (CRG) de Barcelone et du Centre national espagnol de recherche sur le cancer (CNIO) de Madrid ont capturé les premières images haute résolution au monde des premiers instants de la formation des microtubules dans les cellules humaines. Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans la revue Science, Jeter les bases d’avancées potentielles dans le traitement de nombreux types de maladies, du cancer aux troubles neurodéveloppementaux.
« Les microtubules sont des composants essentiels des cellules, mais toutes les images que nous voyons dans les manuels décrivant les premiers instants de leur formation sont des modèles ou des dessins animés basés sur des structures de levure. Ici, nous enregistrons le processus dans les cellules humaines. Maintenant que nous savons à quoi cela ressemble, nous pouvons examiner comment cela est réglementé. Compte tenu du rôle fondamental des microtubules dans la biologie cellulaire, cela pourrait à terme conduire à de nouvelles approches thérapeutiques pour un large éventail de maladies », 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 à une ville animée et nécessite 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, aidant à déplacer les objets et donnant sa forme à la cellule. Surtout, ils sont cruciaux pour la division cellulaire et garantissent que deux nouvelles cellules peuvent émerger d’une cellule mère. Dans les neurones, ils sont absolument nécessaires car ils forment des autoroutes pour le transport sur de longues distances.
Les microtubules sont construits à partir d’une vaste collection de protéines connues 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 s’apparente à la pose des fondations 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, des chercheurs ont été étonnés de découvrir que le γ-TuRC humain expose quatorze rangées de tubuline. C’était déroutant car les chercheurs s’attendaient à ce qu’il s’agisse d’un modèle parfait pour les microtubules, mais cela ne semblait pas être le cas. Cependant, à ce jour, les structures à haute résolution n’ont été photographiées que de γ-TuRC ou de microtubules individuellement et jamais ensemble.
« Nous devions trouver des conditions qui nous permettraient d’imager plus d’un million de microtubules en cours de nucléation avant qu’ils ne deviennent trop longs 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 talons 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 les propriétés naturelles du TuRC. façonner les molécules impliquées et aide à reconnaître les détails fins des structures à un niveau presque atomique. Les échantillons congelés ont ensuite été envoyés à la Ressource Basque pour la Microscopie Electronique (BREM) à Biscaye, où les données à haute résolution produites ont ensuite été transférées au CNIO de Madrid pour analyse. Marina Serna, L’associé de recherche au 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 pendant la formation des microtubules.
Cette analyse a révélé que γ-TuRC change intelligemment de forme à mesure que le processus de nucléation commence et que les microtubules commencent à se former. Initialement ouvert, il se ferme de plus en plus à mesure que le microtubule se développe. Le changement amène γ-TuRC à ranger l’une de ses 14 tubulines, correspondant ainsi à la conception du microtubule, qui ne nécessite que 13 rangées. L’ensemble du processus est facilité par un mécanisme de verrouillage récemment découvert, montrant que ce sont les microtubules en croissance eux-mêmes qui aident 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 efficace. « un modèle parfait pour la nucléation des microtubules. Mais nous avons également constaté que pour se fermer, cet anneau doit utiliser le « premier élément constitutif » d’un microtubule ; Lorsque cela se produit, une région du γ-TuRC humain agit comme un point d’ancrage, engageant cette « première pierre » pour ensuite fermer l’anneau et initier la formation des microtubules.
Effets sur la santé humaine et les maladies
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 échouent, ainsi que d’autres affections allant des problèmes respiratoires aux maladies cardiaques.
Certains médicaments anticancéreux agissent en ciblant les microtubules et en les empêchant de se décomposer ou d’en former de nouveaux. Cependant, ceux-ci détruisent sans discernement les microtubules des cellules cancéreuses et des cellules saines, entraînant des effets secondaires. Les tumeurs développent également une résistance à ces médicaments.
Les résultats de l’étude sont importants car la compréhension du 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 maladies.
« Le processus de nucléation détermine où se trouvent les microtubules dans une cellule et combien il y en a. Il est probable que les changements conformationnels que nous avons observés soient contrôlés par des régulateurs cellulaires encore à découvrir. Plusieurs candidats ont été décrits dans d’autres études, mais leur mécanisme d’action n’est pas clair. Si des travaux supplémentaires élucident comment les régulateurs se lient au γ-TuRC et comment ils influencent les changements conformationnels au cours de la nucléation, ils pourraient transformer notre compréhension du fonctionnement des microtubules et, à terme, fournir des sites alternatifs que l’on pourrait cibler pour prévenir les cellules cancéreuses. microtubules », conclut le Dr. Surrey.