Les polymères filamenteux appelés microtubules jouent un rôle vital dans la ségrégation des chromosomes et le transport moléculaire. Une équipe LMU a maintenant examiné comment les longueurs des microtubules varient en réponse aux changements dans la disponibilité de leurs composants protéiques.

Les cellules possèdent un squelette interne, ce qui leur permet de modifier leur forme et de migrer activement. Ce cytosquelette est composé d'un certain nombre de systèmes de filaments, dont les microtubules font partie. Les microtubules cylindriques ont des parois constituées de 13 protofilaments, chacun étant constitué de sous-unités hétérodimères contenant deux protéines de tubuline apparentées. Les microtubules confèrent non seulement une stabilité mécanique aux cellules et dictent leurs formes, ils servent également de réseau de transport intracellulaire. Par ailleurs, les microtubules sont les constituants majeurs du fuseau mitotique, qui médie la ségrégation ordonnée des ensembles de chromosomes répliqués dans les deux cellules filles pendant la division cellulaire. Toutes ces fonctions nécessitent une régulation dynamique des longueurs des microtubules. Un groupe de physiciens du LMU dirigé par le professeur Erwin Frey, en collaboration avec le professeur Stefan Diez (Technical University of Dresden et Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics, Dresde), ont maintenant développé un modèle dans lequel les protéines motrices responsables du transport de la cargaison le long des protofilaments servent également à réguler la longueur des microtubules. Le modèle est décrit et validé expérimentalement dans la revue Lettres d'examen physique .

Dans des travaux antérieurs, Le groupe de Frey avait montré que la densité des moteurs moléculaires attachés aux filaments a un impact sur la croissance ou le rétrécissement du microtubule, et que leur effet dépend de la longueur du filament concerné. Plus le microtubule est long, plus le nombre de protéines motrices qu'il peut accueillir est grand. Des molécules motrices appelées kinésines se déplacent le long du protofilament, passer d'un dimère à l'autre. Lorsqu'une protéine kinésine atteint la fin, il se détache du filament en prenant la tubuline à laquelle il est lié. Par conséquent, si la densité motrice sur le protofilament est élevée, le rétrécissement va se poursuivre. D'autre part, un nouveau dimère de tubuline peut se lier à l'extrémité. À la fin, le rétrécissement dépendant du moteur entre donc en compétition avec la croissance des microtubules. "D'où, en supposant que les ressources (c'est-à-dire les tubulines et les moteurs moléculaires) sont présentes dans l'accès, il y aura une longueur de filament à laquelle les taux de croissance et de retrait s'équilibrent, " dit Matthias Rank, premier auteur de l'étude. Cependant, dans une vraie cellule, il est peu probable que ces composants soient disponibles en quantités illimitées. Par exemple, la formation du fuseau mitotique épuise de manière significative le nombre de molécules de tubuline libres dans la phase soluble du cytoplasme. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont exploré les effets d'une telle limitation des ressources sur la régulation de la longueur des microtubules.

A l'aide de simulations basées sur un modèle mathématique de la dynamique des polymères, ils ont découvert que dans ces conditions, deux mécanismes distincts de régulation de la longueur entrent en jeu. Lequel d'entre eux devient dominant dépend des concentrations relatives des tubulines et des protéines motrices :Dans une certaine plage de concentration, l'équilibre dynamique entre croissance et rétrécissement des microtubules fonctionne comme il le ferait si les ressources n'étaient pas limitées. "Mais les choses sont différentes quand l'une des ressources nécessaires fait défaut", dit Rang. "C'est le cas, par exemple, lorsqu'il n'y a pas assez de molécules motrices disponibles pour déclencher une dépolymérisation rapide des protofilaments." Dans cette situation, les microtubules continuent de croître jusqu'à ce que la concentration de tubulines tombe en dessous d'une valeur critique. Par ailleurs, il existe une plage de concentration dans laquelle les deux processus sont actifs. "Dans ce cas, on observe que les microtubules existent en deux tailles et qu'ils alternent parfois entre les deux longueurs", dit Frey. « En termes physiques, cela peut être décrit comme une transition de phase." Des expériences in vitro menées par leur co-auteur à Dresde ont confirmé l'existence de ce régime transitionnel prédit par le modèle de Munich. L'équipe est convaincue que leurs résultats sont également applicables à d'autres systèmes polymères , et ils soupçonnent que la limitation des ressources clés peut jouer un rôle important dans la régulation d'autres processus cellulaires.