3-Les microtubules  

Les microtubules sont présents dans l’ensemble des cellules eucaryotes. Ils peuvent être fortement représentés dans certains types cellulaires comme les neurones où ils ont un rôle fondamental dans le transport axonal des vésicules, ou dans des cellules à forte activité sécrétoire.

a) Constitution protéique, assemblage et structure

- Constitution :

Ils sont constitués de dimères de tubuline α et β.
Chaque monomère peut s’associer au GTP mais seule la tubuline β peut échanger son GTP.
C’est une protéine globulaire comme l’actine des microfilaments, à la différence des filaments intermédiaires.

- Assemblage :

Les microtubules sont des structures polaires comme l’actine des microfilaments avec une extrémité (+) à croissance rapide dirigée vers la périphérie de la cellule et une extrémité (-) qui est associée au centrosome.
Le centrosome est un complexe protéique situé près du noyau et il est constitué de deux centrioles eux-mêmes constitués de tubuline α, β, γ, δ et ε.

L’assemblage des dimères de tubuline en une structure microtubulaire se fait en plusieurs étapes :

- polymérisation de dimères de tubuline a et b (chargées de GTP). Les dimères s’associent tête bêche pour former un protofilament. Après polymérisation le GTP de la tubuline b est hydrolysé en GDP.

• - formation d’un fragment de microtubule par association latérale de 10 à 15 protofilaments et repliement du feuillet pour donner une structure rigide.
• - élongation du microtubule par polymérisation (ajout de dimères) à l’extrémité (+).

Les microtubules sont des structures dynamiques. Dans une cellule, il y a en permanence et à vitesse variable (quelques secondes ou quelques minutes) plusieurs centaines de microtubules en cours de polymérisation et de dépolymérisation.

Il y a cependant des structures stables à base de tubuline qui sont représentées par :

- les paires de centrioles (ensemble de microtubules rayonnants enchâssés dans cette zone.

- les corpuscules basaux qui sont situés à la base des cils et des flagelles.

- les cils et les flagelles. Les premières structures ont une longueur d'environ 5-10µm alors que les secondes peuvent atteindre 200μm. Les premières structures ont une longueur d’environ de 5-10 µm alors que les secondes peuvent atteindre jusqu’à 200 μm.

b) Localisation intracellulaire et protéines associées

Les microtubules sont organisés en un réseau supramoléculaire qui irradie du centrosome vers la périphérie (membrane plasmique).

Les protéines associées aux microtubules sont dénommées MAP (microtuble-associated proteins) et on les subdivise en deux groupes :

- les protéines MAP2 et 4 ainsi que Tau qui organisent et stabilisent le réseau de microtubules. Les MAP2 et 4 sont surtout très présentes dans les corps cellulaires neuronaux et les dendrites alors que Tau est localisée dans l’axone.

- les protéines motrices : kinésines et dynéine qui assurent le transport des organites et des vésicules vers différents compartiments de la cellule en se déplaçant sur le microtubule. Les kinésines se déplacent vers l’extémité (+) et les dynéines se déplacent vers l’extrémité (-). Comme la myosine II (associée aux filaments d’actine) ces protéines motrices utilisent l’énergie dérivée de l’hydrolyse de l’ATP pour se déplacer. Ces trois types de protéines motrices sont des ATPases capables de transformer l’énergie de chimique de l’ATP en énergie mécanique.

c) Fonctions

Seuls les microtubules et les microfilaments sont impliqués dans les phénomènes de motilité. Dans les deux cas la motilité est assurée par les protéines motrices.

• 1. Transport des vésicules de sécrétion

Il est assuré par les deux protéines motrices (dynéine et kinésine) spécifiquement associées aux microtubules (les myosines étant associées aux filaments d’actine). Elles possèdent une tête globulaire qui interagit avec les microtubules et une région terminale qui interagit avec les vésicules de sécrétion.

Le transport axonal de différents types de vésicules illustre cette fonction. La kinésine assure le transport antérograde vers l’extrémité (+) du microtubule (du corps cellulaire vers la synapse), alors que la dynéine assure le transport rétrograde, c’est à dire vers l’extrémité (-) des microtubules. Des organites entiers (mitochondries) sont aussi transportés par les microtubules. A noter que dans la partie terminale de l’axone c’est la myosine associée aux filaments d’actine qui prend le relais du transport vésiculaire.

• 2. Transport des vésicules d’endocytose, phagocytose, pinocytose .

• 3. Transport des vésicules membranaires entre le réticulum endoplasmique et le Golgi

Si on inhibe la polymérisation des microtubules avec le nocadazole, les vésicules perdent leur forme et leur fonctions et on prévient leur mouvement du réticulum vers le Golgi.

• 4. Tri et adressage des protéines dans les cellules polarisées (épithélium des tubules rénaux, intestin…)

Les vésicules membranaires issues du Golgi et dans lesquelles sont enchâssées les protéines destinées au pôle apical ou baso-latéral sont transportées par les protéines motrices le long des microtubules .

• 6. Mouvement des organites

Les microtubules, avec les protéines motrices qui leur sont associées, sont en grande partie responsables de l’organisation spatiale et des mouvements dirigés des organites dans le cytoplasme.

Cette fonction est illustrée en particulier lors de la division cellulaire. Les microtubules assurent le transport et la répartition en quantité à peu près équivalente des différents organites entre les deux cellules filles.

• 7. Transport viral

Lors d’une infection virale, la particule virale est transportée de la périphérie vers le centre de la cellule (transport rétrograde) après s’être associée à la dynéine du réseau microtubulaire. A la sortie du noyau, elle est transportée vers la périphérie (transport antérograde) en s’associant à une kinésine des microtubules.

• 8. Mise en place du fuseau mitotique et migration des chromosomes

Au cours de la prophase chaque centrosome se place à un pôle de la cellule pour initier la polymérisation des microtubules et former le fuseau mitotique. C’est ce fuseau qui capture les chromosomes et les positionne sur la plaque équatoriale métaphasique et les sépare ensuite en deux jeux égaux. La migration des chromosomes est réalisée grâce à leur interaction avec de protéines apparentées aux kinésines ainsi qu’à la dynamique de polymérisation/dépolymérisation des microtubules.

• 9. Battement des cils et des flagelles

Les flagelles et les cils sont des expansions membranaires extracellulaires. Ces structures peuvent permettre le déplacement de la cellule par rapport au milieu (flagelle sur le spermatozoïde) ou le déplacement du milieu par rapport à la cellule (cils de la muqueuse trachéo-bronchique et de la trompe de Fallope).

Le mouvement du flagelle est une ondulation alors que celui du cil est un battement car il est de taille plus courte.

Ces deux structures comportent un faisceau central de microtubules : l’axonème.

L’axonème est un ensemble de 9 doublets périphériques qui entourent un doublet central. Les doublets périphériques sont reliés entre eux par une protéine d’amarrage, la nexine et par une protéine motrice : la dynéine ciliaire.

C’est par la flexion du faisceau de microtubules que les cils et les flagelles peuvent se mouvoir. Sur le plan mécanistique, c’est un mouvement de glissement d’un doublet sur l’autre et il est engendré par un déplacement simultané des dynéines entre deux doublets adjacents. Le battement unidirectionnel du cil permet de diriger le mucus bronchique vers l’extérieur.

d) Effets de drogues:

Selon le type de molécule, elles ont un effet sur la polymérisation/dépolymérisation ou la stabilisation des microtubules. En altérant le fuseau mitotique (microtubules) pendant la division cellulaire ils ont une action anti-tumorale.

1. Effet inhibiteur de la polymérisation  :

• La colchicine (alcaloïde extrait de Colchicum autumnale). En se liant à la tubuline elle empêche la polymérisation. L'absence ou l'insuffisance de microtubules lors de la mitose a pour conséquence de bloquer la division cellulaire au stade métaphase, ce qui explique son action anti-tumorale.
• Le nocadazole . Il se lie à la tubuline et prévient la polymérisation .
• La vinblastine et vincristine (alcaloïde extraits de la pervenche) se lient aux dimères de tubuline et forment des agrégats.

2. Effet inhibiteur de la dépolymérisation :

• Le taxol (extrait de l’écorce d’if) en se fixant sur la tubuline β induit la formation demicrotubules stables. La persistance du réseau lors de la mitose empêche la cellule de se diviser car la dépolymérisation des microtubules (au niveau des kinétochores) qui est une étape cruciale lors de la séparation des chromosomes ne peut avoir lieu.