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Organite cellulaire De Wikipédia, l'encyclopédie libre
Les microtubules (MT) sont des fibres constitutives du cytosquelette des cellules eucaryotes, au même titre que les microfilaments d'actine et les filaments intermédiaires. Ils sont moins importants, pondéralement, chez les métaphytes (plantes) que chez les métazoaire (animaux).
Les microtubules ont un diamètre d'environ 25 nm et une longueur variable du fait d'un déséquilibre récurrent entre la polymérisation lente côté + et la dépolymérisation brutale se faisant du même côté. Les microtubules sont ancrés sur le centrosome et le matériel péricentriolaire, et irradient dans tout le cytoplasme.
Les microtubules sont impliqués dans la mitose, processus dans lequel leurs variations de longueur permanentes jouent un rôle essentiel (formation de la plaque équatoriale des chromosomes). Le temps de demi-vie des microtubules non stabilisés est d'environ quinze secondes durant la métaphase et de cinq minutes durant l'interphase.
Les microtubules sont formés de dimères de tubulines constitués chacun de deux sous-unités, la tubuline α et la tubuline β, liées par des liaisons non covalentes. Les dimères sont assemblés en protofilaments qui constituent la paroi des microtubules dont l'intérieur semble "vide" sur les clichés de microscopie électronique.
Comme les dimères de tubuline sont polarisés et qu'ils sont orientés de façon également polarisée le long de chaque protofilament, 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 (−).
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'élongation d'un microtubule est liée à l'hydrolyse du guanosine triphosphate (GTP) qui libère de l'énergie. La molécule de GTP est scindée en deux entités: GDP+Pi, le Pi étant la molécule de phosphate inorganique. Ce tandem reste associée au dimère de tubuline avant que le Pi puis le GDP ne soient libérés en solution. Ce mécanisme génère un court segment le long du microtubule en cours d'élongation que l'on appelle: cap GDP-Pi. 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 on 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.
Il y a trois phases dans la polymérisation des dimères de tubuline qui mène à la mise en place du microtubule :
Les microtubules sont susceptibles de s'effondrer totalement sur eux-mêmes, in vitro comme in vivo.
Il existe des protéines associées aux microtubules (MAP, pour l'anglais microtubule associated protein), qui se lient aux microtubules et leur confèrent une fonction.
Dans les microtubules on associe aux monomères d'actine G liée au GTP (vide supra). On associe aux dimères de tubuline libres, des protéines de séquestration appelées stathmines.
Elles ont une double fonction :
Ces protéines maintiennent une concentration faible des formes G libres (équilibre).
Ces protéines favorisent la dépolymérisation.
Les protéines impliquées dans la fragmentation des microtubules sont :
Parmi les protéines stabilisatrices (ou MAP de stabilisation), on trouve :
| MAP2 | Tau | |
|---|---|---|
| Rôle | Relie 2 microtubules voisins
Solidarisent enveloppes des organites Orientent l'axe des microtubules rôle important dans les cellules nerveuses, en régulant la distance entre chaque microtubule de la dendrite. |
N'est liée qu'à 1 microtubule
Favorise le transport des vésicules et des lysosomes Organisation des microtubules |
| Localisation | Dendrites et corps cellulaires | Axone et corps cellulaires |
Dans la maladie d'Alzheimer, la protéine Tau est abondante et anormalement phosphorylée dans les neurones. Ce qui entraine une anomalie dans l'organisation des microtubules qui génère des amas neurofibrillaires avec filaments introduisant une dégénérescence neuronale.
Les moteurs moléculaires sont des ATPases :
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 (déplacement des chromosomes). Ils apparaissent en phase G2 de l'interphase :
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 s'intègre dans ce processus très dynamique.
Le transport est possible grâce aux protéines associées (MAP, pour l'anglais microtubule-associated protein) :
Les microtubules maintiennent la forme tridimensionnelle des cellules eucaryotes. Ils composent aussi l'axonème, l'axe moteur axial des cils et des flagelles de ces cellules (protistes et spermatozoïdes, notamment).
Les microtubules sont impliqués dans le transport de vésicules d'endocytose et d'exocytose, ainsi que dans la diapédèse qui dépend également des filaments d'actine.
Les microtubules jouent le rôle de capteurs de pression : quand une cellule est soumise à une contrainte, les protéines CLASP2 qui œuvrent aux extrémités des microtubules se déplacent dans les zones déformées, stabilisant les microtubules (arrêt de la dépolymérisation)[2],[3].
Chez les plantes, la polarisation de la membrane plasmique entraine la formation de l’architecture de la paroi secondaire, et engendre différente forme de cellules, avec des fonctions particulières. La protéine MIDD1 (voir plus haut) est ancrée dans la membrane plasmique et promeut la dépolymérisation des microtubules de façon très localisée afin de former le motif de la seconde paroi cellulaire.
Certaines ROP (Rho GTPases of Plant), ROPGEF4 et ROPGAP3 au moins, participent à l’initiation du motif en activant la ROP11. Cette protéine ainsi activée recrute MIDD1 pour induire une dépolymérisation locale des microtubules corticaux. À l’inverse, les microtubules corticaux éliminent de la membrane plasmique la ROP11 activée grâce au MIDD1. C’est grâce à cette interaction mutuellement inhibitrice entre les domaines de ROP actifs et les microtubules corticaux que le motif de la seconde paroi cellulaire peut s’établir[4].
La biogenèse des microtubules : les MT polymérisent à partir de centres organisateurs (MTOC) :
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 inhibiteurs de dépolymérisation comme le Taxol, qui vient stabiliser les microtubules.
Il existe de nombreuses pathologies liées aux microtubules et aux protéines auxquelles ils sont associées. Les tubulines peuvent être altérées et conduire à des modifications de leur polymérisation et des liaisons que les microtubules contractent avec les protéines qui leur 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 aura une influence sur 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) aux mouvements cellulaires embryonnaires précoces (symétrisation).
Des pathologies des microtubules interviennent aussi dans la maladie d'Alzheimer et dans la paralysie supranucléaire progressive.
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