Impact de tau et ses formes pathologiques sur l'organisation des réseaux microtubulaires

par Eléa Prezel

Thèse de doctorat en Neurosciences neurobiologie

Sous la direction de Isabelle Arnal et de Anne Fourest-Lieuvin.

Soutenue le 19-10-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Institut des neurosciences de Grenoble (laboratoire) .

Le président du jury était Laurence Paturle-Lafanechère.

Le jury était composé de Anne Debant.

Les rapporteurs étaient Marie-Laure Parmentier, François Devred.


  • Résumé

    Les microtubules sont des éléments clés du cytosquelette impliqué dans de nombreux processus cellulaires. Ce sont des structures dynamiques qui alternent continuellement entre polymérisation et dépolymérisation, un comportement appelé instabilité dynamique. Les microtubules sont particulièrement abondants dans les neurones et sont organisés sous formes de faisceaux dans les axones et les dendrites. Cette organisation particulière leur permet de maintenir la forme de ses cellules hautement spécialisées et d’assurer le transport intracellulaire d’éléments essentiels dans l’ensemble des compartiments neuronaux. De nombreux facteurs participe à la régulation de l’arrangement des microtubules dans les neurones. Parmi ces facteurs, la protéine tau fait partie de la famille des protéines associées aux microtubules (ou MAPs) et est majoritairement neuronale. Tau est un agent pontant majeur des microtubules et est également connue pour stabiliser les microtubules en stimulant leur polymérisation et en inhibant leur dépolymérisation. Malgré de nombreuses études sur l’interaction de tau avec les microtubules, les mécanismes par lesquels cette MAP contrôle leur organisation spatiale restent élusifs. Pour répondre à cette question, nous avons reconstitué in vitro des réseaux de microtubules en présence de divers isoformes, fragments et mutants de tau. La capacité de tau à induire des faisceaux stables de microtubules dépend de deux hexa-peptides localisés dans son domaine de liaison aux microtubules, et est régulée par son domaine de projection N-terminal. Nos résultats montrent que la phosphorylation spécifique de certains sites de tau inhibe soit la formation de faisceaux soit la stabilisation des microtubules, produisant des populations composées de microtubules individuels stable ou de faisceaux dynamiques. De plus, des mutations de tau impliquées dans des démences apparentées à la maladie d’Alzheimer augmentent drastiquement la capacité de tau à former des faisceaux composés de microtubules très dynamiques. Pour finir, des expériences de cryo-microscopie électroniques indiquent que tau génèrent des défauts dans la paroi des microtubules. Ces défauts sont connus pour assouplir les microtubules et pourraient donc constituer un mécanisme structural primaire permettant leur déformation au cours de la formation de faisceaux. En conclusion, nos résultats mettent en évidence un nouveau mécanisme phospho-dépendant par lequel tau régule l’organisation de réseaux de microtubules. De plus, ce travail révèle comment des modifications anormales de tau, telles que des phosphorylations anormales ou des mutations, peuvent altérer l’organisation du cytosquelette dans les maladies neurodégénératives.

  • Titre traduit

    Impact of tau and its pathological forms on microtubule network organization


  • Résumé

    Microtubules are key components of the eukaryotic cytoskeleton and are involved in major cellular events. They undergo constant remodeling through alternative cycles of growth and shrinkage of their extremities, a behavior known as dynamic instability. Microtubules are particularly abundant in neurons; they are organized into bundles within axons and dendrites to maintain the polarized shape of these highly specialized cells and to allow cargo transport. Numerous factors regulate the plasticity of the microtubule network in neurons. Among them, tau is a neuro-specific microtubule-associated protein (MAP). Tau is a major microtubule bundler also known to stabilize microtubules by promoting their growth and inhibiting their shrinkage. Although the interaction of tau with microtubules has been widely studied, the mechanisms by which this protein controls the spatial organization of microtubules remain elusive. To address this question, we reconstitute in vitro microtubule self-organization in presence of various tau isoforms, fragments and mutants. We find that the ability of tau to induce stable microtubule bundles depends on two conserved hexapeptides in tau’s microtubule-binding domain and is modulated by tau’s projection domain. Furthermore, our data demonstrate that site-specific phosphorylation of tau inhibits either microtubule bundling or stabilization generating alternative networks composed of stable single or dynamic bundled microtubules. We also show that some disease-related mutations closed to the hexapeptides strikingly enhance the capacity of tau to form bundles of highly dynamic microtubules. Finally, cryo-EM experiments indicate that tau proteins induce microtubule lattice defects known to soften microtubules, a primary structural change allowing microtubule-bending deformation during bundling. Overall, our results highlight novel phospho-dependent mechanisms by which tau regulates microtubule network organization. This work also reveals how abnormal modifications of tau, such as abnormal phosphorylation or mutations found in Alzheimer’s disease and related dementia, might alter cytoskeleton organization during neurodegeneration.

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