Constituants cellulaires
Cytosquelette : microtubules
Vue d'ensemble

Les microtubules, constituant l’un des piliers structuraux du cytosquelette, sont des polymères tubulaires rigides dont l’architecture impose :

• une polarité directionnelle,
• une dynamique intrinsèque,
• une organisation spatiale adaptée aux exigences mécaniques et fonctionnelles de la cellule.

Architecture
canonique du
microtubule

Les microtubules sont des cylindres creux constitués de protofilaments alignés longitudinalement.

1. La structure canonique comprend 13 protofilaments disposés en paroi régulière.

a. Cette géométrie confère une asymétrie structurale conférant rigidité, flexibilité contrôlée et orientation unique du polymère. :

• L’extrémité (+) étant le site préférentiel de croissance et de remodelage.
• l’extrémité (-), plus stable, est souvent ancrée aux MTOC, en particulier au centrosome.

b. Cette polarité détermine l’orientation des flux, le transport intracellulaire et l’organisation globale du réseau.

Remarque : dans le centriole, le tubule A est un microtubule complet à 13 protofilaments, les tubules B et C sont des microtubules incomplets, partageant respectivement 10 et 7 protofilaments avec le tubule adjacent ( organisation A-B-C du centriole).

2. L’élément de base du microtubule est le dimère d'αβ-tubuline qui constitue l’unité fondamentale de polymérisation et dont les propriétés structurales et nucléotidiques gouvernent la dynamique du polymère.

• La tubuline-GTP s’intègre préférentiellement à l’extrémité (+) pour la polymérisation.
• L’hydrolyse du GTP portée par la β-tubuline entraîne une courbure défavorable, à l’origine des transitions entre phases de croissance et de dépolymérisation.

3. Les isoformes α, β et γ possèdent des fonctions distinctes :

• α/β-tubuline pour l’assemblage du polymère,
• γ-tubuline pour la nucléation.

Polarité du microtubule

La structure du microtubule repose sur l’assemblage polarisé des dimère d'αβ-tubuline, dont l’empilement tête-bêche génère deux extrémités intrinsèquement différentes ( interactions longitudinales).

Cette polarité détermine la dynamique du polymère et l’orientation des flux intracellulaires.

1. L’extrémité (-) correspond au côté où l’α-tubuline est exposée.

a. Sa dynamique est faible car :

• son taux d’ajout de dimères est limité,
• elle est stabilisée ou ancrée dès la nucléation,
• elle est protégée contre la catastrophe spontanée.

b. Dans les cellules animales, elle est le plus souvent :

• ancrée aux complexes γ-TuRC lors de la nucléation centrosomale,
• fixée au centrosome ou à l'appareil de Golgi,
• stabilisée par CAMSAP/Patronin dans les réseaux non-centrosomaux.

Cette stabilisation contribue à organiser des réseaux orientés.

2. L’extrémité (+) expose la β-tubuline, aui constitue le principal site de croissance et d’adaptation du réseau microtubulaire.

Elle possède une dynamique très élevée et constitue le principal site de croissance et d’adaptation du réseau microtubulaire grâce à :

• une polymérisation/dépolarisation rapide,
• des transitions catastrophe/sauvetage,
• une forte sensibilité aux MAP de l’extrémité (+), i.e. EB ou XMAP215, aux MAP déstabilisatrices, i.e. kinésine-13…

3. La polarité découle de l’asymétrie intrinsèque du dimère α/β.

a. Le contact longitudinal β ➞ α n’est pas équivalent au contact α ➞ β,

• l’empilement séquentiel impose une orientation unique des dimères,
• cette organisation se transmet à tout le protofilament et au cylindre microtubulaire.

b. Cette architecture détermine :

• la directionnalité des moteurs, kinésines vers le (+), dynéine vers le (-),
• la construction de réseaux polarisés, comme dans les neurones et les épithéliums.

Organisation, dynamique et régulation du réseau microtubulaire

La plasticité du réseau microtubulaire dépend de facteurs multiples :

• disponibilité en tubuline,
• activité des MAP stabilisatrices ou déstabilisatrices,
• contrôle cycle-dépendant ( cycle du centrosome et fuseau mitotique)
• organisation imposée pa rles les MTOC.

1. La formation des microtubules dépend de structures spécialisées qui contrôlent l’emplacement et l’orientation initiale du polymère.

• 

  Le complexe γ-TuRC initie la nucléation en fournissant un gabarit courbe.
• Les MTOC organise le réseau que ce soit le MTOC principa, i.e. centrosome ou des MTOC alternatifs ( nucléation non centrosomale).

2. La dynamique repose sur un équilibre instable entre croissance, dépolymérisation et phases intermédiaires modulées par l’état nucléotidique et les contraintes mécaniques.

• La coiffe GTP stabilise l’extrémité (+).
• Sa perte déclenche la catastrophe et l’arrondissement des protofilaments.
• Les épisodes de sauvetage reflètent une réacquisition locale de stabilité.

3. Les MAP (Microtubule-Associated Proteins) modulent la stabilité, la dynamique et l’architecture du réseau microtubulaire en s’adaptant aux fluctuations mécaniques et aux signaux cellulaires.

• Les MAP stabilisatrices renforcent la paroi polymérique.
• Les MAP déstabilisatrices favorisent les transitions catastrophe.
• Les MAP organisatrices contrôlent l’orientation des faisceaux et la géométrie du fuseau.
• Les +TIP, localisées à l’extrémité (+), guident la croissance et le ciblage directionnel du polymère.
• Les -TIP stabilisent l’extrémité (-) et structurent les réseaux non-centrosomaux.
• Les enzymes de coupure AAA+ assurent la fission locale du polymère.

Organisation cellulaire du réseau microtubulaire

1. La distribution des microtubules reflète l’état physiologique de la cellule.

a. Pendant l'interphase, les MT forment un réseau radial centré sur le centrosome.

b. Pendant la mitose, ils s’organisent en un système bipolaire constituant le fuseau mitotique, avec des populations spécialisées :

• kinétochoriens, attachés aux kinétochores et responsables de la capture et de la ségrégation des chromosomes,
• interpolaires, qui s’imbriquent au centre du fuseau et assurent la poussée et l’élongation du dispositif mitotique,
• astraux, rayonnant depuis les pôles et impliqués dans l’ancrage cortical et l’orientation du fuseau.

2. Cette architecture dynamique résulte de l’activité coordonnée des MAP, des MTOC et des mécanismes de nucléation, maturation et fission.

Fonctions biologiques essentielles

1. Les microtubules (Regulation of microtubule dynamics, mechanics and function through the growing tip 2021) :

• structurent l’espace intracellulaire, en définissant des axes de tension et des territoires fonctionnels,
• organisent les organites, en positionnant l'appareil de Golgi, les endosomes et les mitochondries par il'nteraction des moteurs moléculaires,
• constituent les rails du transport vectoriel assuré par les moteurs moléculaires, i.e. transport antérograde par les kinésines et rétrograde assuré par la dynéine, permettant une distribution ciblée des cargos,
• forment le fuseau mitotique (prophase, prométaphase et métaphase), et participent ségrégation chromosomique (anaphase), en générant les forces nécessaires à l’alignement et à la séparation des chromatides sœurs.

2. Le réseau microtubulaire coopère avec l’actine et les filaments intermédiaires pour maintenir la cohésion mécanique et la plasticité structurale de la cellule en assurant :

• la oordination avec l'actine dans la migration cellulaire, en intégrant protrusion, traction et rétraction (Microtubules in Cell Migration 2013),
• la résistance mécanique par le couplage aux filaments intermédiaires, qui amortissent les contraintes et stabilisent les structures,
• des adaptations spécialisées dans les neurones, les cellules épithéliales ou ciliées, où la géométrie du réseau supporte polarité, transport longue distance ou battement ciliaire (Microtubule control of functional architecture in neurons 2019).

Nucléation des microtubules