Constituants cellulaires
Cytosquelette : microtubules
Tubuline : structure et propriétés

Structure de l'hétérodimère de tubuline

1. La tubuline est un hétérodimère constitué de sous-unités α et β dont l’assemblage conditionne la structure et la polarité des microtubules.

a. La tubuline α est liée de manière constitutive à un GTP non hydrolysable (Interaction of microtubule depolymerizing agent indanocine with different human αβ tubulin isotypes 2018).

b. La tubuline β, variant de quelques acides aminés, est liée au GTP qu'elle a la capacité d'hydrolyser et l'état de cette sous-unité définit si le dimère est ( hydrolyse du GTP) :

• à l'état GTP, compatible avec la croissance du microtubule,
• à l'état GDP, conformation courbée défavorable à la stabilité.

2. Chaque sous-unité possède plusieurs domaines (Microtubule structure and its stabilisation 2004).

a. Le domaine N-terminal forme le site de liaison au nucléotide, stabilisé par la P-loop des NTPases (NTP : nucléosides triphosphates).

Il organise l’environnement du GTP, coordonne les ions essentiels à sa reconnaissance, et transmet les changements conformationnels induits par l’hydrolyse vers le reste du dimère.

b. Le domaine central, organisé autour d’un noyau de feuillets β, confère au dimère sa rigidité structurale et supporte l’orientation des hélices et des boucles impliquées dans les interactions longitudinales et latérales avec les dimères voisins.

c. Le domaine C-terminal comprend deux régions.

• Une hélice α structurée (core helix), située à l’extrémité du domaine central, stabilise l’architecture interne du dimère.

Elle contribue à l’organisation du lattice en soutenant l’orientation des boucles latérales (M-loop, H1-S2, H2-S3) et forme une zone d’ancrage structurale avant les régions flexibles.

• Les extrémités C-terminales flexibles (E-hooks), riches en résidus acides portent de nombreuses modifications post-traductionnelles, i.e. polyglutamylation, polyglycylation, détrosination…et constituent un point d’interaction majeur pour les MAP, les moteurs moléculaires et les facteurs de régulation (modifications post-traductionnelles (PTM) de la tubuline).

Interactions longitudinales entre dimères

Les sous-unités α et β s’associent par une interface longitudinale stable formée d’un empilement d’hélices et de feuillets du domaine central selon une architecture tête-queue imposée par l’asymétrie interne du dimère (Structural insights into the mechanism of GTP initiation of microtubule assembly 2023).

1. Les segments H7, H8 et la boucle T5 jouent un rôle important dans la continuité structurale, stabilisant l’empilement axial des dimères.

2. Cette jonction impose une asymétrie stricte ( polarité des microtubules) :

• le côté α du dimère constituera toujours l’extrémité (-) d’un protofilament,
• le côté β orienté vers l’extérieur définit l’extrémité (+).

Remarque : au-delà des contacts longitudinaux qui assurent la continuité d’un protofilament, les dimères établissent également des contacts latéraux avec les protofilaments adjacents, indispensables à la formation du cylindre tubulaire ( nucléation du microtubule).

Nature et organisation des dimères de tubuline

1. La conformation du dimère dépend de l’état du nucléotide de la sous-unité β qui influence la cohésion longitudinale et contribue à la dynamique du microtubule (High resolution microtubule structures reveal the structural transitions in αβ-tubulin upon GTP hydrolysis 2015).

a. La tubuline-GTP adopte une géométrie rectiligne qui favorise :

• la polymérisation par les interactions longitudinales, et l'empilement de nouveaux dimères dans le protofilament ( formation et maintien de la coiffe),
• la cohésion des protofilaments et la fermeture correcte des interfaces latérales par des interactions du microtubule pour la construction d’un lattice mécaniquement homogène.

b. La tubuline-GDP, qui est provoquée par l'hydrolyse du GTP qui ne survient qu’après incorporation du dimère dans le lattice, par la libération de son Pi (phosphate inorganique), provoque une flexion subtile entre les deux sous-unités et une compaction d'environ 2,2 nm (Microtubule instability driven by longitudinal and lateral strain propagation 2020).

Cette différence structurelle modifie l’alignement des surfaces d’interaction entre dimères et réduit la stabilité longitudinale, préparant ainsi le protofilament à se courber et à se dissocier en l’absence de coiffe GTP.

Remarque : la coiffe GTP, formée d’un ensemble de dimères non encore hydrolysés à l’extrémité (+), stabilise le polymère en maintenant la zone terminale dans un état géométriquement compatible avec la croissance.

Sa perte entraîne une rupture coopérative des contacts latéraux, initiant la dépolymérisation rapide.

2. L’activité GTPase de la tubuline β réside dans son domaine N-terminal, au sein d’un repli caractéristique des P-loop NTPases, ce qui provoque l’ouverture des protofilaments et favorise la déstabilisation du microtubule (The α-Tubulin gene TUBA1A in Brain Development: A Key Ingredient in the Neuronal Isotype Blend 2017).

a. Le site de liaison au GTP est formé par la P-loop (motif Walker A), qui stabilise le phosphate γ et positionne le nucléotide pour l’hydrolyse.

Les motifs structuraux adjacents, notamment les segments Switch, réagissent aux changements d’état du nucléotide et transmettent la déformation au reste de la sous-unité.

b. L’hydrolyse du GTP ne survient pas dans le dimère libre, mais uniquement après insertion dans la paroi du microtubule, grâce à l’environnement géométrique imposé par le protofilament.

• Le phosphate inorganique généré n’est pas libéré immédiatement : il demeure transitoirement piégé dans le site catalytique, période durant laquelle la sous-unité β conserve une apparence quasi rectiligne.
• Son relargage ultérieur déclenche un basculement spontané vers la conformation courbée typique de la tubuline-GDP.
• Cette transition structurelle se propage aux interfaces latérales et longitudinales en modifiant l’alignement des hélices α et des boucles d’interaction, ce qui réduit la cohésion des protofilaments, ouvre leur extrémité et fragilise l’ensemble du polymère.
• Lorsque ce relâchement n’est pas compensé par une coiffe GTP suffisante, la micro-instabilité locale s’amplifie et conduit à une catastrophe.

c. Ainsi, l’activité GTPase de la tubuline β est intimement liée à l’architecture du microtubule : elle n’est pleinement fonctionnelle que dans le contexte de l’assemblage, où la contrainte imposée par le polymère agit comme véritable " activateur " de l’hydrolyse.

Interaction latérale entre dimères : lattices

Au-delà de l’interface interne α/β qui définit les interactions longitudinales assurant la continuité du protofilament, les interactions latérales soudent les protofilaments entre eux pour former le cylindre à treize protofilaments caractéristique des microtubules (Structural insights into the mechanism of GTP initiation of microtubule assembly 2023).

Alors qu’un protofilament correspond à une colonne linéaire de dimères α/β, le lattice représente la structure tridimensionnelle obtenue lorsque treize de ces colonnes s’ajustent côte à côte pour former le cylindre tubulaire.

1. Dans la conformation mature du microtubule, l’ensemble de ces contacts latéraux organise les protofilaments selon un motif régulier appelé B-lattice, dans lequel les interfaces latérales appairent systématiquement une sous-unité α avec une α et une sous-unité β avec une β, dites interfaces homotypiques (Tubulin et microtubules 2005).

a. La fermeture du cylindre impose toutefois une discontinuité structurale unique, le seam (couture), où l’appairage devient hétérotypique (A-lattice, de type α-β).

b. Le seam confère au microtubule une anisotropie structurale qui module à la fois sa stabilité, sa dynamique et ses interactions protéiques (Changes in seam number and location induce holes within microtubules assembled from porcine brain tubulin and in Xenopus egg cytoplasmic extracts 2022).

• L’interface α-β (A-lattice) est légèrement moins stable que les interfaces α-α / β-β du B-lattice, ce qui en fait un point de fragilité mécanique.
• Le seam peut influencer la nucléation des catastrophes et la propagation des transitions croissance/dépolymérisation.
• Certaines MAP et moteurs moléculaires peuvent détecter ou préférer le seam, contribuant à une asymétrie fonctionnelle le long du cylindre.
• Lors de la courbure ou de la compression du microtubule, le seam peut servir de zone de relâchement structural.

Remarque : le seam du complexe γ-TuRC est plus marqué.

2. Lors des premières étapes d’assemblage, les protofilaments établissent un contact latéral partiel (" Tube-bond "), encore peu étendu et dépourvu de l’emboîtement complet des boucles latérales.

3. Une fois la géométrie du cylindre stabilisée, ce contact évolue vers l’interface mature (" MT-bond "), qui mobilise de manière concertée les boucles H1-S2, la M-loop et H2-S3.

• Cet agencement constitue l’armature clé de la cohésion latérale.
• Il est fortement stabilisé à l’état GTP et devient plus fragile lorsque la tubuline adopte la conformation GDP.

a. L’interaction H1-S2, entre une hélice (H1) et une boucle (S2), contribue à l’alignement latéral régulier des dimères.

• Elle stabilise le cylindre en maintenant une distance correcte entre protofilaments pour participer à la rigidité globale de la paroi tubulaire.
• Cette interface est sensible à l’état nucléotidique, i.e. la conformation GDP induit un léger glissement, réduisant la cohésion latérale dans les régions en tension.

b. La M-loop (boucle M), émergeant radialement du domaine central, constitue la principale région d’engrènement latéral.

• Elle s’insère dans un sillon du protofilament voisin et crée une large surface de contact, indispensable dans les contextes soumis à de fortes contraintes mécaniques, i.e. fuseau mitotique, axones.
• Déterminant majeur de la cohésion latérale, la M-loop change légèrement d’orientation à l’état GDP, augmentant la probabilité d’ouverture latérale et favorisant la courbure des protofilaments lors des phases de catastrophe.

c. L’interaction H2-S3, entre une hélice (H2) et une boucle (S3), complète l’interface latérale en renforçant l’engrènement fourni par la M-loop.

• Elle assure la transmission des contraintes entre protofilaments et augmente la robustesse du cylindre sans empêcher la flexion inhérente à l’état GDP.
• Ce contact joue un rôle de renfort latéral secondaire, essentiel pour maintenir la géométrie tubulaire lors des déformations dynamiques.

4. Cette organisation précise confère à la fois rigidité et contraintes géométriques :

• elle favorise la polymérisation lorsque la tubuline est en conformation GTP,
• rend le réseau sensible aux transitions structurales associées à l’hydrolyse du GTP sur la sous-unité β.

Isoformes et modifications post-traductionnelles (PTM)