À l’intérieur de chaque cellule, un réseau de minuscules filaments, appelé cytosquelette microtubulaire, aide à maintenir la forme de la cellule, lui permet de se diviser et transporte les matériaux vitaux d’une partie de la cellule à une autre. Les filaments qui forment ce réseau, appelés microtubules, sont des tubes creux qui servent de structures d'échafaudage et de voies de transport. Les scientifiques sont depuis longtemps curieux de savoir comment les cellules contrôlent la formation de ces microtubules, un processus essentiel au bon fonctionnement et à la division des cellules. C’est une question importante, puisque les microtubules sont également une cible privilégiée utilisée par la chimiothérapie pour tuer les cellules cancéreuses.
Deux équipes de recherche, l'une à l'Institut de recherche en biomédecine (IRB Barcelone), dirigée par le Dr Jens Lüders, et l'autre au Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), dirigé par le Dr Oscar Llorca, ont désormais réalisé une avancée importante. pour comprendre comment les cellules génèrent les microtubules qui forment leur squelette interne. Leurs conclusions, publiées dans Cellule de développementmettent en lumière la façon dont une protéine appelée CDK5RAP2 active le complexe d'anneaux γ-tubuline du nucléateur des microtubules (γTuRC), un élément clé de ce processus de construction du squelette, aidant les cellules à organiser leur intérieur et à se diviser correctement.
« La clé du succès de ce projet réside dans le fait que nous avons pu reconstituer l'activation du nucléateur de microtubules gTuRC in vitro, nous fournissant ainsi des quantités suffisantes de matériel de haute qualité pour l'analyse cryo-EM », commente le Dr Jens Lüders, responsable du le laboratoire d'organisation des microtubules dans la prolifération et la différenciation cellulaire de l'IRB Barcelone.
Ce travail est un bel exemple de la façon dont la visualisation de molécules individuelles à haute résolution à l’aide de la cryo-EM et le traitement ultérieur de ces informations à l’aide d’algorithmes basés sur des réseaux neuronaux peuvent révéler de grandes molécules en action et comment elles fonctionnent. »
Dr Oscar Llorca, du groupe Macromolecular Complexes in DNA Damage Response Group du CNIO
Construire le cadre de la cellule
Les microtubules sont comme des structures d’échafaudage et, tout comme lors de la construction d’un bâtiment, la cellule doit les assembler aux bons endroits, dans la bonne orientation et au bon moment. Ce travail est assuré par γTuRC, qui agit comme un modèle pour assembler les premiers morceaux du microtubule.
Cependant, dans son état fondamental, gTuRC n'est pas parfaitement conçu pour fonctionner comme modèle, et depuis des années, les scientifiques se demandent comment γTuRC peut prendre la forme correcte pour démarrer le processus de construction. Les chercheurs ont maintenant montré que CDK5RAP2 joue un rôle central dans ce processus en se liant à γTuRC et en stimulant son activité. La protéine s'attache à cinq sites clés du γTuRC, l'aidant à adopter une structure plus symétrique, semblable à celle des microtubules, qui permet une nucléation efficace des microtubules. Sans cette activation, le γTuRC resterait sous sa forme asymétrique, peu adaptée à la formation de microtubules modèles.
« CDK5RAP2 est comme un directeur de construction, garantissant que le squelette de la cellule est construit correctement. Ce processus est fondamental pour la croissance et la division des cellules », expliquent Marina Serna et Fabian Zimmermann, premiers auteurs de l'étude, chercheurs respectivement au CNIO et à l'IRB Barcelone.
La puissance de l’imagerie avancée
Pour découvrir ce mécanisme, l’équipe a utilisé la cryomicroscopie électronique (cryo-EM), une technique de pointe qui permet aux scientifiques de capturer des images haute résolution de complexes macromoléculaires purifiés tels que gTuRC. Grâce au cryo-EM, ils ont pu observer comment CDK5RAP2 se lie à γTuRC, déclenchant des changements structurels dans le complexe. Ces images détaillées ont fourni des informations sans précédent sur la manière dont le complexe adopte une symétrie semblable à celle des microtubules.
Avec cryo-EM, ils ont pu voir comment plusieurs copies de CDK5RAP2 se lient autour de l’extérieur du γTuRC en forme de cône, lui permettant d’adopter une forme capable de démarrer efficacement la croissance des microtubules.
L’étude a également découvert que lors de l’activation, γTuRC libère fréquemment une protéine appelée actine, qui est généralement présente à l’intérieur de la structure γTuRC non activée. Cette libération d'actine peut être importante pour permettre au complexe d'adopter sa forme plus fonctionnelle, semblable à celle d'un microtubule.
Alors que cette étude révèle des étapes critiques dans la façon dont les cellules construisent leur échafaudage interne, les chercheurs souhaitent maintenant savoir si des défauts dans l'activation de gTuRC peuvent être à l'origine de certains troubles neurodéveloppementaux rares causés par des mutations du gène CDK5RAP2 et des gènes codant pour les sous-unités de gTuRC. Une autre question importante est de savoir s’il existe d’autres mécanismes d’activation alternatifs de gTuRC. De telles connaissances permettront de mieux comprendre comment les cellules assemblent leur cytosquelette microtubulaire, ce qui constitue une condition préalable à l'identification des mécanismes de la maladie et, à terme, des opportunités d'intervention thérapeutique.
Les travaux ont été financés par le ministère espagnol de la Science et de l'Innovation, avec le soutien supplémentaire du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne. La Fondation « la Caixa » a également contribué à travers son programme de bourses, aux côtés des Actions Marie Skłodowska-Curie de l'Union européenne.
