Microtubule

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Microtubules reconnus par des anticorps anti-tubuline fluorescents (verts); éléments du cytosquelette d'une cellule eucaryote (fibroblaste)

Les microtubules (MT) sont des fibres constitutives du cytosquelette, au même titre que les microfilaments d'actine et que les filaments intermédiaires.

Ils ont un diamètre d'environ 20 nm et une longueur variable du fait de leur dynamique (liée à leur fonction au sein de la cellule). Prenant leur origine du centrosome, les microtubules sont impliqués dans la formation de la plaque équatoriale et le déplacement polaire des chromosomes pendant la mitose.

Ils sont absents chez les procaryotes[citation nécessaire], et présents chez les eucaryotes. Chez les métaphytes (plantes), les microtubules sont pondéralement moins importants que chez les métazoaires (animaux).

Le temps de demi-vie des microtubules est d'environ 15s durant la métaphase et de 5min durant l'interphase.

Structure[modifier | modifier le code]

Structure schématisée des microtubules et des dimères de tubuline dont ils sont composés.

Les microtubules sont formés de dimères de tubuline. Ces derniers sont composés de deux sous-unités, la tubuline α et la tubuline β, qui sont liées par des liaisons non covalentes. Les dimères sont assemblés bout à bout en protofilaments, qui constituent la paroi des microtubules dont l'intérieur est vide. On compte généralement 13 protofilaments par microtubule.

Comme les dimères de tubuline s'imbriquent toujours dans le même sens, une extrémité des microtubules ne présente que des tubulines β, tandis que l'autre ne présente que des tubulines α; ces deux extrémités sont respectivement nommées (+) et (-). En raison de cette propriété, on dit que les microtubules sont polarisés.

Cet assemblage (les microtubules sont des polymères) est extrêmement dynamique. Les deux extrémités des microtubules polymérisent et dépolymérisent en permanence. L'état des extrémités varie selon la concentration locale de dimères de tubuline et des propriétés cinétiques dynamiques des deux extrémités des microtubules. In vitro, l'extrémité (+), constituée de tubulines β exposées au solvant, est celle qui polymérise le plus vite; l'extrémité (-), constituée de tubulines α exposées au solvant, est celle qui dépolymérise le plus vite. Ainsi, à l'état d'équilibre (in vitro), un microtubule est soumis à un processus dit de treadmilling ou "tapis roulant" pendant lequel sa longueur reste constante alors que le nombre de dimères de tubulines gagnés à une extrémité égale celui de dimères perdus à l'autre. Si l'une des extrémités est "capée" (ou biochimiquement modifiée), ce processus est altéré, tout comme la dynamique du microtubule. In vivo comme in vitro, on peut observer des effondrements rapides ou au contraire la stabilisation des microtubules. Ces deux mécanismes sont mis à profit lors des chimiothérapies dans lesquelles ont utilise de molécules qui modifient les propriétés dynamiques des deux extrémités des microtubules (par exemple, le taxol stabilise les microtubules, la colchicine, les vinblastines et autres vincristines, les déstabilisent).

Polymérisation[modifier | modifier le code]

Il y a trois phases dans la polymérisation des dimères de tubuline qui mène à la mise en place du microtubule : la nucléation, l'élongation et l'équilibre.

La phase de nucléation consiste en l'assemblage des hétérodimères α et β de tubuline concomitant à l'hydrolyse de la GTP (guanosine triphosphate) catalysée par la sous-unité β. Ce germe constitue la base sur laquelle le microtubule croît.

Lors de la phase d'élongation, à l'état stationnaire, le microtubule croît, alors que l'hydrolyse du GTP est retardée par rapport à l'incorporation des dimères de tubulines dans le corps du microtubule. In vitro, les dimères se lient aux deux extrémités libres du microtubule, bien que la polymérisation soit plus rapide à l'extrémité (+). In vivo, le pôle (-) du microtubule est stabilisée pour être liée au centre de nucléation (centrosome), quelle que soit sa localisation dans la cellule.

À l'équilibre, la longueur du microtubule est constante, alors que les processus d'élongation et d'effondrement spontané ont des vitesses égales.

Les microtubules sont susceptibles de s'effondrer totalement sur eux-mêmes in vitro comme in vivo.

Protéines associées[modifier | modifier le code]

Il existe des protéines associées aux microtubules ou MAPs.

Protéines de séquestration[modifier | modifier le code]

Protéines de fragmentation[modifier | modifier le code]

Protéines de stabilisation[modifier | modifier le code]

Protéines motrices[modifier | modifier le code]

Les moteurs moléculaires sont des ATPases :

  • Les kinésines, moteurs moléculaires liés à des éléments figurés qui se déplacent vers l'extrémité positive (+) des microtubules; on parle de transport antérograde.
  • Les dynéines, moteurs moléculaires liés à des éléments figurés qui se déplacent vers l'extrémité négative (-) des microtubules; on parle de transport rétrograde.

Rôles[modifier | modifier le code]

Division cellulaire (la mitose)[modifier | modifier le code]

Les microtubules jouent un rôle très important dans la division cellulaire (mitose) et dans les courants cytoplasmiques grâce à la coopération avec les microfilaments d'actine (le déplacement des chromosomes). L'apparition des microtubules en phase G2 de l'interphase.

  • Les microtubules polaires permettent aux 2 centrosomes de s'éloigner l'un de l'autre.
  • Les microtubules radiaires (également appelés microtubules astériens) ancrent les centrosomes aux membranes plasmiques
  • Les microtubules kinétochoriens relient les centrosome aux kinétochores (situés au niveau du centromère des chromosomes).

Transport cytoplasmique[modifier | modifier le code]

Vésicules schématisées

Les déplacements cellulaires polarisés se produisent le long des microtubules et des microfilaments d'actine grâce à l'action de moteurs moléculaires spécifiques. Les microtubules sont très nombreux dans les neurones (dendrites, axones). Ils permettent d'acheminer divers composants soit vers les extrémités de ces prolongements cellulaires, soit vers le corps cellulaire lui-même. On peut les comparer à des rails le long desquels des vésicules sont transportées. La formation des vésicules synaptiques participe de ce processus très dynamique.

Le transport est possible grâce à des protéines associées aux microtubules (MAP en anglais) :

  • Moteurs moléculaires
Entre autres la kinésine (vers l'extrémité (+) ),
et la dynéine (vers l'extrémité (-) ).
  • MAP d'assemblage (protéine Tau, MAP-2).
  • MAP de stabilisation (STOP)

Mobilité cellulaire et mouvement intracellulaire[modifier | modifier le code]

Schéma montrant un cil d'une cellule eucaryote. On y voit l'arrangement des microtubules, répartis en doublet sur le pourtour et au centre.

Les microtubules composent l'axonème, l'axe moteur axial des cils et des flagelles des cellules eucaryotes (spermatozoïdes protistes). Ils sont impliqués dans le transport de vésicules d'endocytose et d'exocytose, ainsi que dans dans la diapédèse qui dépend également des filaments d'actine.

Autres[modifier | modifier le code]

Les microtubules ont d'autres rôles, parmi eux le maintien de la forme tridimensionnelle des cellules.

Régulation[modifier | modifier le code]

La biogénèse des microtubules : les MT polymérisent à partir de centres organisateurs (MTOC) :

  • les centrosomes (division cellulaire).
  • corpuscule basal ou cinétosome (cils et flagelles).
  • la matière péricentriolaire amorphe (cellules animales) ou masse amorphe (cellules végétales) pour la polymérisation des autres MT.

Molécules agissant sur les microtubules[modifier | modifier le code]

Un dimère de tubuline lié à une molécule de Taxol, en rouge

Il existe des inhibiteurs de la polymérisation comme la colchicine (par réaction réversible), la vinblastine, la vincristine et le nocodazole. Ceux-ci modifient l'équilibre de la réaction de polymérisation et favorisent ainsi la dépolymérisation. Ces inhibiteurs sont utilisés in vitro pour détruire le fuseau mitotique des cellules en mitose pour établir un caryotype, mais également en clinique pour lutter contre les cellules cancéreuses. Il existe aussi des activateurs de polymérisation comme le Taxol.

Pathologies liées aux anomalies biochimiques des microtubules et des MAPs[modifier | modifier le code]

Il existe de nombreuses pathologies liées aux microtubules et aux protéines auxquelles ils sont associées. Les tubulines peuvent être altérées et conduire à des modification de leur polymérisation et des liaisons que les microtubules contractent avec les protéines qui leurs sont associées. Le syndrome de Kartagener est sémiologiquement défini comme une dyskinésie ciliaire primitive (DCP) qui est due à une altération de l'expression des gènes qui spécifient les dynéines, les kynésines et autres MAPs (microtubule associated proteins). Ces altérations biochimiques impliquent une diminution essentielle de la motilité ciliaire (et/ou flagellaire) qui impactera le système respiratoire (ciliature bronchique), l'appareil reproducteur masculin (spermatozoïdes) et féminin (altération de la ciliature des trompes de Fallope, grossesse extra-utérine) et pourra conduire à une malformation anatomique majeure, le situs inversus, vraisemblablement liée à une altération du (des) cil(s) primaire(s) essentiel(s) et aux mouvements cellulaires embryonnaires précoces (symétrisation).

D'autres pathologies des microtubules:

Notes et références[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Liens externes[modifier | modifier le code]