Description théorique et numérique de l'interaction entre les moteurs processifs et un microtubule

Theoretical and numerical description of the interaction between processive motors and the microtubule lattice

• Auteur / Autrice : William Lecompte
• Direction : Catherine Quilliet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 31/01/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Fourcade
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Arnal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charlotte Aumeier, Hervé Mohrbach

Mots clés

Mots clés libres

Système complexe

Monte Carlo cinétique

Kinésine

Microtubule

Dynéine

Modélisation

Complex system

Kinetic Monte Carlo

Kinesin

Microtubule

Dynein

Modelling

Résumé

Les microtubules sont des structures clées des cellules qui sont indispensables à la division cellulaire, au transport intracellulaire et à la motilité. En raison de leur rôle important lors de la division cellulaire, les médicaments contre le cancer ciblent généralement les microtubules. Les microtubules sont de fines structures tubulaires d’un diamètre de 25 nm et d’une longueur pouvant atteindre plusieurs dizaines de micromètres. Ils croissent et rétrécissent de par leurs extrémités et sont soumis à une phénomène hors-équilibre appelé instabilité dynamique qui consiste en une alternance de phases de lente croissance et de rapide effondrement. Ce comportement résulte de l’hydrolyse irréversible du GTP lors de l’intégration de la tubuline-GTP dans le réseau du microtubule. Depuis trois décennies, un effort substantiel dans la recherche sur les microtubules a été consacré à l’étude de l’instabilité dynamique aux extrémités des microtubules. En revanche, nous ne savons que très peu de choses sur les propriétés dynamiques et l’intégrité structurelle le long des microtubules.Nous savons depuis longtemps que les protéines associées aux microtubules (MAP) peuvent interagir avec le réseau microtubulaire, ce qui a un impact sur sa stabilité globale et la dynamique aux extrémités. Des expériences récentes ont montré que les protéines de séparation des microtubules et les moteurs moléculaires stimulent l’incorporation directe et localisée de tubulines-GTP libres le long du microtubule, ce qui suggère que le réseau du microtubule est soumis à des événements de remodelage localisés, apparemment sans compromettre l’intégrité mécanique globale du microtubule. Il a été suggéré que les sites de remodelage du réseau dans les microtubules dynamiques servent de sites de sauvetage, c’est-à-dire qu’ils stimulent la transition entre le rétrécissement des microtubules et leur allongement, ce qui a un impact sur la stabilité globale des microtubules. Cependant, les mécanismes potentiels du remodelage du réseau et l’implication des MAP dans la stimulation ou ralentissement de ce processus sont encore très peu connus.Dans le cadre de mon doctorat, j’ai développé une description théorique et numérique de l’interaction des moteurs processifs avec le réseau de microtubule, appelée modèle MoTub. Basé sur une approche cinétique de Monte Carlo, ce modèle est composé d’un ensemble de réactions pour les dimères de tubuline (attachement, détachement, hydrolyse des nucléotides) et pour les moteurs processifs (attachement, marche, détachement) qui sont largement acceptées dans la littérature scientif que. Le modèle est complété par une interaction moteur-réseau : le pas irréversible du moteur le long du microtubule "excite" transitoirement le réseau de tubulines sous-jacent, induisant, pour une courte durée, une conformation du réseau légèrement moins stable (dite "excitée"). De par une déstabilisation faible et transitoire du réseau par le pas moteur, ce mécanisme favorise la formation de lacunes dynamiques. En l’absence de tubuline-GTP libre, le défaut se propage rapidement, conduisant à une fracture complète du microtubule. En présence de tubulines-GTP libres, la marche des moteurs induit une dérive des lacunes dans la direction opposée à la marche des moteurs. Cette dérive est accompagnée par l’incorporation directe et localisée de tubulines-GTP libres le long de la trajectoire du défaut. Ces résultats sont cohérents avec les expériences récentes de la littérature et suggèrent fortement qu’une faible interaction tubuline-moteur est responsable d’un remodelage accrue le long des microtubules.

Microtubules are key structural elements of living cells that are crucial for cell division, intracellular transport and motility. Due to their important role in cell division, microtubules represent a primary target for cancer related drugs. Microtubules are slender tubular structures with a diameter of 25 nm and up to several tens of microns long. They grow and shrink at their extremities and are subject to a non-equilibrium phenomenon called dynamic instability that consists of alternating phases of slow growth and rapid collapse. This behavior results from the irreversible hydrolysis of GTP upon integration of GTP-tubulin into the microtubule lattice. For three decades, a substantial effort in microtubule research has been dedicated to the study of the dynamic instability at the microtubule tips. In contrast, only little is known about the dynamical properties and the structural integrity of the microtubule shaft.It has been known for a long time that so called Microtubule Associated Proteins (MAPs) may interact with the microtubule lattice, impacting its overall stability and the tip dynamics. Recent experiments have shown that microtubule severing proteins and molecular motors stimulate the direct and localized incorporation of free GTP-tubulin into the microtubule shaft, suggesting that the microtubule shaft is subject to localized plastic events apparently without compromising the overall mechanical integrity of the microtubule. It has been suggested that sites of lattice plasticity in dynamic microtubules serve as rescue sites, i.e. they stimulate the transition from microtubule shrinkage to elongation, thereby impacting the global microtubule stability. However, little is known about a potential mechanisms of lattice plasticity and to which extend MAPs stimulate or slow down this process.Within the framework of my PhD thesis, I developed a theoretical and numerical description of the interaction of processive motors with the microtubule lattice, called the MoTub model. Based on a kinetic Monte Carlo approach, this model is composed of a set of reactions for tubulin dimers (attachment, detachment, nucleotide hydrolysis) and for processive motors (attachment, walking, detachment) that are widely accepted in the scientif c literature. The model is completed with a motor-lattice interaction : The irreversible motor step along the microtubule transiently "excites" the underlying tubulin lattice, inducing a short-lived slightly less stable ("excited") lattice conformation. In this mechanism, a weak and transient destabilization of the lattice by the motor stepping promotes the formation of mobile vacancies. In the absence of free GTP-tubulin the defect rapidly propagates leading to a complete microtubule fracture. In the presence of free GTP-tubulin, the motor walk induces a vacancy drift in the direction opposite of the motor walk. The drift is accompanied by the direct and localized incorporation of free GTP-tubulin along the trajectory of the vacancy. These results are consistent with recent experiments in the literature and strongly suggest that a weak lattice-motor interaction is responsible for an augmented microtubule shaft plasticity.