Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) et de l'Université de Californie, Berkeley a combiné la cryomicroscopie électronique de pointe (cryo-EM) avec la modélisation moléculaire computationnelle pour produire un modèle à résolution quasi atomique de l'interaction entre les microtubules, composants essentiels de l'ultrastructure des cellules eucaryotes, et les protéines associées aux microtubules appelées tau.

Le modèle donne un aperçu de la façon dont tau stabilise les microtubules, et ce qui le fait se dissocier pour former des agrégats tau, ou "enchevêtrements, " dans certaines maladies neurologiques, dont la maladie d'Alzheimer, généralement appelées tauopathies.

Les microtubules jouent un rôle important dans le maintien de la forme des cellules, permettant certaines formes de locomotion, faciliter le transport intracellulaire, et la ségrégation des chromosomes pendant la mitose. Chaque microtubule est un cylindre creux composé de treize protofilaments parallèles de protéine tubuline.

Tau aide à maintenir les microtubules stables et les organise en faisceaux. Mutations ou modifications post-traductionnelles, comme l'hyperphosphorylation, qui réduisent l'affinité de tau pour les microtubules sont censés contribuer à la formation d'enchevêtrements de tau.

L'équipe, dirigé par Eva Nogales, chercheur principal au sein de la division de biophysique moléculaire et de bioimagerie intégrée (MBIB) du Berkeley Lab et chercheur et professeur du Howard Hughes Medical Institute à l'UC Berkeley, utilisé cryo-EM pour imager le tau adulte natif de pleine longueur lié aux microtubules avec une résolution globale de 4,1 A?. Ils ont montré que tau s'attache longitudinalement le long de la crête des filaments de tubuline, un résultat cohérent avec une précédente étude cryo-EM à basse résolution.

Tau est une protéine intrinsèquement désordonnée qui comprend un domaine de projection, une région de liaison aux microtubules de quatre répétitions de séquence imparfaites, et un domaine C-terminal. La tubuline est un dimère, ce qui signifie une paire conjointe de polypeptides étroitement liés, dans ce cas la -tubuline et la -tubuline. Les dimères de tubuline s'enchaînent (ou polymérisent) tête-bêche pour former les protofilaments qui composent les microtubules.

"Compte tenu de la littérature abondante sur son manque de structure régulière, nous n'étions pas certains que tau formerait réellement des interactions ordonnées avec la tubuline, " a déclaré Elizabeth Kellogg, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Nogales et co-premier auteur de l'article présentant le travail, publié le 10 mai dans la revue Science .

Pour tester des hypothèses sur les résidus tau impliqués dans la liaison à la tubuline, ils ont ensuite créé des constructions tau synthétiques avec des régions de liaison aux microtubules composées de quatre répétitions identiques et ont également imagé celles attachées aux microtubules (résolution globale de 3,2 à 3,9 ). Simon Poepsel, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Nogales, avait travaillé avec la forme amyloïde de tau en tant qu'étudiant diplômé et a joué un rôle déterminant dans la purification et la préparation des échantillons pour la cryo-EM.

"Quand nous avons finalement pu voir la longueur d'une répétition tau et voir qu'elle avait une structure et un site de liaison définis, nous avons réalisé que tau formait en fait des interactions spécifiques avec la surface de la tubuline, " a déclaré Kellogg. " Lorsque nous avons pu concilier cela avec la durée d'une répétition et les informations de séquence que nous avions, c'était la clé dont nous avions besoin pour comprendre comment améliorer suffisamment les reconstructions pour permettre la modélisation atomique."

L'équipe s'est ensuite tournée vers Rosetta, une suite complète d'outils de modélisation informatique pour prédire les structures atomiques tridimensionnelles de macromolécules à partir d'informations sur les séquences d'acides aminés, basé sur la conformation avec l'état d'énergie le plus bas. Les cartes cryo-EM à haute résolution ont permis à l'équipe de mettre des contraintes sur la forme globale du complexe moléculaire, augmenter la fidélité du modèle, Nogales a expliqué.

Frank DiMaio, professeur agrégé au département de biochimie et à l'Institute for Protein Design de l'Université de Washington, a apporté son expertise en travaillant avec la plateforme Rosetta, en particulier la fonction "ajustement à la densité" utilisant des données cryo-EM.

Rosetta structure predictions for two different synthetic tau constructs converged on the same solution:a backbone stretch of 27 residues spanning three tubulin monomers. "The identical sequence register and atomic details from two independent maps underscores the robustness of our solution and provides high confidence in the accuracy of our atomic models, " Nogales said.

"Our structure shows how tau's main contact with the microtubule surface is at the interface between tubulin subunits, serving as a 'stapler' to promote the association between tubulin subunits and explaining how tau promotes microtubule stability, " said Kellogg. "The structure also explains how tau phosphorylation leads to its dissociation from microtubules."

Phosphorylation of the serine at position 262 (universally conserved among tau repeats) has been observed to attenuate microtubule binding and is a marker of Alzheimer's disease. The model shows that phosphorylation at this crucial anchor point would disrupt interaction between tau and the microtubule and thus cause the "staples to fall off". Additional residues that are critical for tau-microtubule binding were identified as well.