Les microtubules sont des filaments cylindriques creux d’un diamètre d’environ 25 nm et d’une longueur qui varie de 200 nm à 25 μm. Les sous-unités de tubuline liées au GTP forment des αβ-hétérodimères pour l’assemblage des microtubules. Ces éléments constitutifs interagissent longitudinalement, polymérisant en protofilaments. Les protofilaments interagissent ensuite les uns avec les autres par des forces de liaison latérales pour former des microtubules cylindriques stables. Ces filaments cylindriques sont dynamiques car ils subissent des montages et démontages répétés. Cette instabilité dynamique caractéristique peut être observée à la fois in vivo et in vitro.

Instabilité dynamique

Les microtubules individuels peuvent s’allonger et rétrécir simultanément aux extrémités opposées à un moment donné. La croissance ou le rétrécissement d’un microtubule est déterminée par ses taux de catastrophe et de sauvetage. Une catastrophe se produit lorsqu’un microtubule en croissance commence à se raccourcir rapidement. Le sauvetage est le déplacement d’un microtubule qui rétrécit pour s’allonger rapidement. Le taux d’hydrolyse de la GTP liée à la β-tubuline est un facteur primaire qui détermine l’instabilité dynamique.

Dans la cellule, les deux sous-unités de tubuline libre et leurs formes αβ-hétérodimériques sont présentes dans le pool cytoplasmique. La polymérisation des sous-unités de tubuline commence lorsque les sous-unités αβ-hétérodimériques liées au GTP sont supérieures à une concentration seuil, appelée concentration critique pour la polymérisation des microtubules. β-tubuline existe sous deux formes. La tubuline β liée au GTP ou forme T est responsable de l’allongement et de la structure linéaire stable des microtubules. En revanche, la tubuline β liée au GDP ou forme D favorise le désassemblage des microtubules. Les tubulines β liées au GTP à l’extrémité en croissance agissent comme un capuchon, empêchant la courbure du protofilament et favorisant l’allongement. Lors de l’hydrolyse du GTP, la conformation de la β-tubuline est légèrement altérée, ce qui entraîne une courbure du protofilament. Cette courbure facilite la liaison de protéines déstabilisantes comme la stathmine et la kinésine-13 pour éliminer les hétérodimères αβ-tubuline.

Facteurs régulant l’instabilité

Les protéines associées aux microtubules ou les MAP sont des régulateurs essentiels de l’instabilité dynamique des microtubules. Les MAP sont généralement classées comme stabilisants et déstabilisants en fonction de leur fonction dans la dynamique des microtubules. Les MAP stabilisateurs se lient aux microtubules pour réduire l’événement catastrophique et favoriser l’allongement. D’autre part, les déstabilisateurs se lient pour favoriser la catastrophe. Les MAP stabilisatrices sont dominantes pendant l’interphase et dans les microtubules axonaux et dendritiques des neurones, favorisant des assemblages stables. Au cours de la mitose, les MAP déstabilisants sont plus fréquentes. Ces MAP sont responsables de la ségrégation chromosomique et du désassemblage du maillage cytosquelettique pour la division cellulaire.