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Un nouveau regard sur le transport intracellulaire

 

La structure d'une kinésine en complexe avec la tubuline vient d'être élucidée par l'équipe de Marcel Knossow au Laboratoire d'enzymologie et biochimie structurales (LEBS) du CNRS. Il s'agit de la première structure connue d'un moteur moléculaire lié à une protéine constitutive des filaments du cytosquelette, le long desquels ce type de moteur se déplace pour assurer un rôle de transporteur à l'intérieur de la cellule. Ce travail a été publié dans la revue Nature Structural and Molecular Biology, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Zurich en Suisse et de l'Université Tongji de Shanghai en Chine.

 

Trois familles de moteurs moléculaires sont capables de se déplacer le long des filaments du cytosquelette. Tandis que les myosines se déplacent le long des filaments d'actine, les dynéines et les kinésines se déplacent le long des microtubules. Ces trois familles de protéines assurent le transport de macromolécules et d'organelles au sein de la cellule.

Les kinésines utilisent l'énergie chimique provenant de l'hydrolyse d'un nucléotide ATP pour produire l'énergie mécanique nécessaire à leur déplacement. Les différentes étapes de ce phénomène sont aujourd'hui bien décrites. En solution, les kinésines sont liées à une molécule d'ADP qu'elles larguent au moment de l'association au microtubule. La fixation subséquente d'ATP correspond au mouvement moteur de la protéine. Enfin, l'hydrolyse de cet ATP en ADP conduit à la dissociation de la kinésine du microtubule. Les implications structurales de ce cycle ne sont cependant que partiellement comprises. En effet, si de nombreuses structures de kinésines isolées ont été résolues à l'échelle atomique, les données disponibles sur les kinésines liées à un microtubule proviennent d'expériences de microscopie électronique et sont donc d'une résolution limitée.

Les chercheurs du LEBS et leurs collègues suisses et chinois ont montré que des kinésines interagissent aussi avec la tubuline, la protéine constitutive des microtubules, et ceci d'une façon très semblable à l'interaction avec les microtubules. Ce résultat a ouvert la voie à l'étude structurale à haute résolution de complexes kinésine-tubuline. Pour cristalliser un tel complexe, les chercheurs ont stabilisé la tubuline avec une protéine artificielle spécifique. Par ailleurs, afin d'éviter que le complexe ne se dissocie, la kinésine était liée à un analogue stable d'ATP. L'analyse des mesures de cristallographie aux rayons X réalisées au synchrotron SOLEIL et au synchrotron de l'ESRF a alors permis d'expliquer deux caractéristiques clés des kinésines.

La première caractéristique concerne l'activation de l'activité ATPase de la kinésine lorsqu'elle est fixée au microtubule. Les données structurales ont montré comment la tubuline stabilise la kinésine dans une conformation compétente pour l'hydrolyse de l'ATP. La seconde caractéristique est reliée au mouvement moteur. Les kinésines de la famille de celle que les chercheurs ont étudiée sont des dimères présentant deux domaines moteurs identiques. Ces kinésines possèdent un petit peptide appelé « neck linker » qui se lie au domaine moteur dont il émane pour propulser le deuxième moteur dans le sens du mouvement le long du microtubule. En plus de révéler le rôle essentiel de ce petit peptide pour le déplacement des kinésines, l'analyse structurale a permis d'établir un lien entre la nature du nucléotide fixé et l'état du neck linker, situés à environ 20 Å l'un de l'autre au sein de la kinésine.

Le prochain objectif des chercheurs est d'établir la structure de la kinésine en l'absence de nucléotide, car il s'agit de la pièce manquante à la description structurale complète du cycle des kinésines.

 

 

Figure : Structure du domaine moteur de la kinésine (en vert) et du neck linker (en rouge) en complexe avec la tubuline. La tubuline est un hétérodimère, comprenant une sous-unité α (en rose) et une sous-unité β (en bleu). Pour permettre la cristallisation de la tubuline, les chercheurs ont utilisé une protéine synthétique (en jaune), dont le site de fixation est distinct de celui de la kinésine. La flèche noire indique le sens de déplacement de la kinésine. © LEBS, Benoît Gigant, Marcel Knossow

 

 

 

En savoir plus

• Structure of a kinesin–tubulin complex and implications for kinesin motility, Benoît Gigant, Weiyi Wang, Birgit Dreier, Qiyang Jiang, Ludovic Pecqueur, Andreas Plückthun, Chunguang Wang, Marcel Knossow, Nature Structural and Molecular Biology (2013), doi:10.1038/nsmb.2624.
  

 

Contact chercheurs

• Marcel Knossow
• Benoît Gigant
  Laboratoire d'enzymologie et biochimie structurales (LEBS)
  UPR3082 CNRS
  CNRS - Bâtiment 34
  1 avenue de la terrasse
  91198 Gif-sur-Yvette Cedex