Ils découvrent comment les cellules humaines construisent leurs microtubules

Dans notre corps, les cellules se divisent constamment. À chaque division, l’information génétique contenue dans les chromosomes est dupliquée et chaque cellule fille reçoit une copie complète du matériel génétique. Il s’agit d’un processus sophistiqué, un mécanisme d’horlogerie qui implique des changements raffinés et rapides au sein de la cellule. Pour les rendre possibles, la cellule possède des microtubules, de minuscules structures en forme de tube. Cela faisait longtemps que l’on cherchait à comprendre comment ils se forment.

Aujourd’hui, pour la première fois, des chercheurs du Centre de Régulation Génomique (CRG) de Barcelone, du Centre National de Recherche sur le Cancer (CNIO) et du Conseil Supérieur de la Recherche Scientifique (CSIC), en Espagne, ont réalisé l’équivalent de construire un film montrant comment les cellules humaines initient la formation de leurs microtubules. Les résultats résolvent un problème soulevé il y a des années et jettent ainsi les bases de futurs progrès dans le traitement de maladies allant du cancer aux troubles neurodéveloppementaux.

De longues « cordes » qui aident à diviser les chromosomes

Óscar Llorca, directeur du programme de biologie structurale au CNIO et co-auteur de l’étude, décrit ce qui se passe dans la cellule lorsque commence la division cellulaire : « Les chromosomes, une fois qu’ils ont dupliqué l’information génétique, sont placés au centre de la cellule. et Ceci, d’une manière extraordinaire, génère rapidement de gros tubes à partir de ses deux extrémités qui accrochent les chromosomes et tirent chacune des copies vers les deux pôles de la cellule. Ce n’est qu’alors qu’il est possible d’encapsuler une copie de tout notre matériel génétique dans chaque cellule fille.

Les structures lancées, « comme de longues cordes qui atteignent les chromosomes pour les diviser », explique Llorca, sont les microtubules. « C’est pourquoi nous disons que les microtubules jouent un rôle clé dans la division cellulaire. “Nous devons très bien comprendre les mécanismes qui déclenchent la formation de ces microtubules, au bon endroit et au bon moment.”

Ce sont aussi des autoroutes cellulaires

Les microtubules sont des tubes mesurant des millièmes de millimètre de long et des nanomètres (millionièmes de millimètre) de diamètre. En plus d’être déterminants pour la division cellulaire, ils agissent comme des autoroutes pour transporter les composants cellulaires entre les différentes zones de la cellule. Ce sont également des éléments structurels qui donnent forme à la cellule elle-même, entre autres tâches. Bien comprendre votre formation aura des répercussions dans de multiples domaines de la biomédecine.

“Les microtubules sont des composants essentiels des cellules. Nous capturons ici leur processus de formation à l’intérieur des cellules humaines. Compte tenu du rôle fondamental des microtubules dans la biologie cellulaire, cela pourrait conduire à l’avenir à de nouvelles approches thérapeutiques pour un large éventail de troubles”, explique Professeur de recherche ICREA Thomas Surrey, chercheur CRG et co-auteur de l’étude.

Premières étapes de la construction des microtubules. (Image : Marina Serna (CNIO))

Un anneau moléculaire qui déclenche la formation de microtubules

Les images haute résolution obtenues répondent à une question qui reste en suspens depuis des années : comment commence la formation des microtubules dès les premiers stades de la division cellulaire ? On sait désormais que tout commence lorsqu’il se ferme, formant un anneau, une structure complexe composée de plusieurs protéines appelées gTuRC (prononcer « gammaturc »). La forme de gTuRC, sa structure tridimensionnelle, a été découverte il y a quelques années et a surpris les chercheurs. On s’attendait à ce que gTuRC soit un anneau fermé qui agit comme un modèle de base sur lequel le microtubule est construit ; mais gTuRC apparaissait comme une rondelle ouverte. Ses dimensions et sa forme étaient incompatibles avec celles d’un gabarit de microtubules.

Les nouveaux travaux du CRG et du CNIO révèlent le mécanisme par lequel gTuRC se ferme en anneau et devient effectivement un modèle parfait, capable de lancer la formation de microtubules. La fermeture de gTuRC se produit lorsque le premier morceau moléculaire d’un microtubule est attaché. “C’est l’astuce utilisée par la cellule pour fermer gTuRC”, explique Llorca. “Dès que cette première brique entre, une région de gTuRC est capable de l’accrocher et, tel un lasso, agit comme un matériel qui tire l’anneau jusqu’à ce qu’il se ferme et lance le processus.”

Visualiser ce processus a nécessité de purifier le gTuRC à partir de cellules humaines et de reproduire le processus d’initiation des microtubules dans le tube à essai. Les échantillons ont été observés avec des cryomicroscopes électroniques et l’intelligence artificielle a été utilisée dans l’analyse des données.

Un million d’images de film à l’échelle atomique

L’un des défis a été de faire face à la vitesse élevée du processus de construction des microtubules. Le groupe CRG a réussi à le ralentir en laboratoire, mais aussi à stopper la croissance des microtubules pour pouvoir analyser les premières étapes du processus. “Nous devions trouver des conditions qui nous permettraient d’imager plus d’un million de microtubules en nucléation avant qu’ils ne deviennent trop gros, masquant ainsi l’action du gTuRC. Nous y sommes parvenus en utilisant des techniques moléculaires de notre laboratoire, puis en congelant les échantillons de microtubules”, explique Claudia Brito. , chercheur postdoctoral au CRG et premier auteur de l’étude.

Les microtubules en construction ont été observés dans la plateforme de cryo-microscopie électronique de l’Institut de biologie moléculaire de Barcelone (IBMB) du CSIC, située dans le Centre commun de microscopie électronique (JEMCA), au sein du synchrotron ALBA. «Ils ont été congelés dans une fine couche de glace, préservant la forme naturelle des molécules impliquées», explique Pablo Guerra, responsable de cette Plateforme. Les meilleures conditions expérimentales pour observer les microtubules en formation ont ainsi été déterminées. Les meilleurs échantillons congelés ont été envoyés au BREM (Ressource Basque pour la Microscopie Electronique) pour imagerie, et ceux-ci ont été transférés à Marina Serna et Oscar Llorca, du CNIO, pour analyse et détermination des structures tridimensionnelles à résolution atomique.

Intelligence artificielle pour l’assemblage

En pratique, avoir plus d’un million de microtubules dans différentes phases de croissance équivaut à avoir plusieurs images d’un film haute résolution. Il suffit de les ordonner dans le bon sens pour voir le film défiler. Ce travail a été confié à l’équipe du CNIO, qui a utilisé des techniques d’intelligence artificielle pour le réaliser. « Déterminer la structure tridimensionnelle des microtubules en croissance à partir d’images microscopiques a été extrêmement complexe. Nous avons eu besoin de plusieurs outils de traitement d’images numériques », explique Marina Serna, chercheuse au CNIO.

Pour Llorca, « le grand défi a été d’analyser des images à haute résolution d’un processus dynamique, dont nous observions plusieurs étapes en même temps. Cela a été possible grâce à l’utilisation des réseaux de neurones, qui nous ont permis d’organiser toute cette complexité. Le résultat est des structures tridimensionnelles à résolution atomique qui représentent les différentes étapes de la façon dont commence la construction d’un microtubule et comment l’anneau gTuRC devient le modèle qui lance la formation des microtubules.

Implications sur la santé

Comme l’explique Llorca, « cette découverte est pertinente parce que nous avons abordé un mécanisme très fondamental de la division cellulaire, dont nous ne connaissions pas la manière dont il se produisait chez les êtres humains ». Il s’agit de connaissances de base pour apprendre à corriger les erreurs de fonctionnement des microtubules, associées au cancer, aux troubles du développement neurologique et à d’autres affections allant des problèmes respiratoires aux maladies cardiaques.

“Certains des médicaments utilisés aujourd’hui pour traiter le cancer empêchent la formation ou la dynamique des microtubules”, explique Llorca. « Cependant, ces médicaments affectent indistinctement les microtubules, tant dans les cellules cancéreuses que dans les cellules saines, provoquant des effets secondaires. Connaître en détail comment se forment les microtubules peut contribuer au développement de traitements plus ciblés qui affectent la formation des microtubules et permettre des progrès dans le traitement du cancer et d’autres maladies.

Prochaine étape : comprendre la réglementation

Thomas Surrey, quant à lui, explique les prochaines étapes de la compréhension des microtubules, qui impliquent de comprendre comment leur formation est régulée : « Le processus de nucléation décide où se trouvent les microtubules dans une cellule et combien ils sont. Les changements conformationnels que nous avons observés sont probablement 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.

Les travaux futurs « qui élucident comment les régulateurs se lient à gTuRC et comment ils affectent les changements conformationnels au cours de la nucléation » pourraient transformer notre compréhension de la fonction des microtubules et, au fil du temps, offrir des sites alternatifs que l’on pourrait vouloir cibler pour empêcher les cellules cancéreuses de continuer la cellule. cycle », conclut Surrey.

L’étude s’intitule « Transition du complexe d’anneaux γ-tubuline humaine vers une conformation fermée pendant la nucléation des microtubules ». Et cela a été publié dans la revue académique Science. (Source : SCCI)