Les microtubules sont des constituants majeurs des cellules. Leurs fonctions sont multiples. Elles sont en perpétuel renouvellement : on parle à leur sujet de déséquilibre dynamique. Cette dynamique leur confère des propriétés qui contribuent à leurs fonctionnalités. L'objectif de ce post est de décrire succinctement leur constitution et leurs fonctionnalités dans la mesure où elles donnent un aperçu des ressorts de la biologie moléculaire.

C'est également un exemple de structure dissipative au sens où Ilya Prigogine les entend. Que ce soit en interphase ou au cours de la mitose, la structuration des microtubules correspond à un état de déséquilibre organisé. Déséquilibre (on est loin de l'équilibre au sens thermodynamique du terme) entretenu par des différences de concentration (protéine RAN par exemple), des flux de matière (cycline), la présence de catalyseurs (enzymes MAP ou GTPase), le jeu changeant de réactions réversibles (polymérisation/dépolymérisation) et un flux constant d'énergie (hydrolyse de l'ATP).

Nota : la mitose est la phase de division cellulaire. L'interphase est le laps de temps entre deux mitoses.

Tubuline

Les microtubules sont des assemblages de protéines (tubuline alpha et béta) en forme de petits tubes. Ces petits tubes sont constitués par l'association de treize hélices polymères dont le motif est composé d'une molécule de tubuline alpha et d'une molécule de tubuline béta. Les microtubules forment, avec les filaments d'actine, le cytosquelette des cellules. Elles sont également l'épine dorsale des cils et flagelles des cellules lorsque celles-ci en possèdent.

Les microtubules sont des structures dynamiques. La polymérisation des molécules de tubuline est réversible. Elle est dépendante de la présence de GTP (guanosine triphosphate) et d'enzymes MAP (microtubule associated proteins) ou GTPase (régénération des molécules de GTP à partir de GDP). La polymérisation se fait préférentiellement côté béta et la dépolymérisation côté alpha, ce qui donne une certaine orientation au phénomène de croissance (on compare ce processus à un "tapis roulant"). Par convention, on attribue le signe + à l'extrémité béta et le signe - à l'extrémité alpha.

Polymérisation / dépolymérisation

La croissance se fait à partir de centres de nucléation (pôle "moins" des microtubules), comme le centrosome à proximité du noyau, l'appareil de Golgi ou des bases spécifiques au pied des cils ou des flagelles (basal bodies). Elle est interrompue lorsque le pôle "plus" de la microtubule s'accroche à un site polarisé, ou à un kinétochore lors de la phase mitotique. Cet "arrimage" a pour effet de stabiliser la microtubule dont la durée de vie est limitée en dehors de ce contexte (5 à 10 minutes).

Nota : l'énergie nécessaire à la croissance des microtubules est fournie par l'hydrolyse de la GTP.

Fonctionnalités

Pendant l'interphase, les microtubules ont de nombreuses fonctions : structurelle, motrice (cils et flagelles), mais aussi transport. Elles servent en effet de "rails" au long desquels les vésicules transitent dans le cytoplasme, tractés par les "moteurs protéiques" que sont la kinésine et la dynéine (qui carburent toutes deux à l'ATP).

En phase de mitose, le rôle des microtubules est essentiel. La mitose est précédée par la duplication du centrosome et la réplication des chromosomes. La mitose est déclenchée par une "horloge moléculaire" pilotée par l'association d'une protéine, la cycline, avec une enzyme, la kinase. La cycline est produite en continu tandis que la concentration de kinase reste constante. Lorsque la concentration de cycline dépasse un certain seuil, la kinase est activée. L'enveloppe du noyau se désagrège ainsi que les microtubules du cytosquelette. Les chromosomes se condensent sous forme de chromatides (chromosome + chromatine), ou plutôt de paires de chromatides strictement identiques (issues de la réplication) reliées entre elles par leur centromère. Un complexe protéique se forme autour du centromère, le kinétochore.

La polymérisation des microtubules va recommencer à partir des deux centrosomes. Les microtubules vont former un aster autour de chaque centrosome. Celles qui croissent latéralement et en direction de la membrane vont ancrer les centrosomes. Les autres microtubules forment deux demi-fuseaux qui s'arriment aux kinétochores de chaque chromosome. Il y a en effet à proximité des kinétochores une concentration de protéines dites RAN qui ont la propriété de fixer les molécules de GTP et de GDP, ce qui favorise la croissance et le verrouillage des microtubules. La tendance à la dépolymérisation (et donc au raccourcissement) de celles-ci exerce une force de traction antagoniste qui désolidarise les deux chromatides d'un même chaque chromosome et les attire vers les centrosomes. Ceci conduit à la répartition du matériel génétique entre les deux centrosomes. Puis la cellule se scinde en deux cellules filles, la cycline est dégradée et l'enveloppe des noyaux se reforme. C'est la fin de la mitose. La cellule repart en interphase avec un taux de cycline égal à zéro.

Nota : le processus pourrait se reproduire indéfiniment si la réplication des chromosomes n'était pas limitée par le nombre de télomères à leur extrémité. Les télomères agissent comme des amorces au moment de la réplication... qui en consomme un à chaque fois.