Modélisation de l'interaction dynamique protéines Tau - microtubules

par Jordan Hervy

Thèse de doctorat en Physique pour les sciences du vivant

Sous la direction de Timothy Ziman et de Dominique Bicout.

Soutenue le 27-11-2018

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de physique et modélisation des milieux condensés (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Louis Barrat.

Le jury était composé de Virginie Stoppin-Mellet, Florence Hubert.

Les rapporteurs étaient Martin Lenz, Stéphane Honoré.


  • Résumé

    La maladie d’Alzheimer, de nombreux syndromes parkinsoniens, certaines démences fronto-temporales telle que la maladie de Pick sont des exemples de maladies neurodégénératives appelées « tauopathies » qui sont caractérisées par la présence d’agrégats intracellulaires de protéines Tau dans le cerveau des sujets atteints. La formation de tels agrégats résulterait de l’altération des propriétés et fonctions normales des protéines Tau à réguler et structurer les réseaux de microtubules au sein des axones ; ce qui se traduit par une perte progressive de la masse des microtubules dans les axones, la désorganisation du transport axonal et au final la mort cellulaire. La compréhension des tauopathies passe donc par celle :- de la dynamique des microtubules qui est régie par les mécanismes de l’instabilité dynamique au cours desquels les microtubules alternent en permanence entre une phase de croissance (polymérisation des GTP-tubulines) et de rétrécissement (dissociation des GDP-tubulines);- et des interactions entre protéines Tau – microtubule qui jouent un rôle important dans la polymérisation, la stabilisation des microtubules et l’organisation spatiale du réseau de microtubules dans l’axone.L'objectif de ce travail de thèse est de construire et de consolider les bases qui permettront d'aller vers une modélisation fine de l'interaction des microtubules dynamiques avec une population de protéines Tau. Pour y parvenir, deux problèmes ont été abordés : (i) la dynamique intrinsèque des microtubules, c'est-à-dire en l'absence de protéines Tau et (ii) l'interaction Tau-Microtubule pour des microtubules stabilisés, c'est-à-dire non-dynamiques.Afin d’aborder ces problèmes, le travail de cette thèse a été mené selon deux approches :-Théorique : développements de modèles mathématiques décrivant les différents processus-Simulations numériques : développement de programmes Monte-Carlo (sous Matlab)Les résultats principaux ont été organisés et structurés en deux grandes parties :Développement d’un modèle mésoscopique décrivant l’instabilité dynamique des microtubules à l’échelle de la tubuline (unité fondamentale du microtubule). Ce modèle décrit une instabilité dynamique des microtubules non-Markoviènne dont les caractéristiques sont comparables aux observations expérimentales.2) Développement d’un modèle décrivant la dynamique de décoration d’un microtubule stabilisé (absence d’instabilité dynamique) par une population de protéines Tau. Les caractéristiques de ce modèle sont basées, pour la construction, et comparables aux expériences de cosedimentation et de microscopie électronique.

  • Titre traduit

    Modeling the dynamical interaction Tau Proteins - microtubules


  • Résumé

    Alzheimer’s disease, some frontotemporal dementias such as the Pick’s disease are examples of neurodegenerative diseases called "Tauopathies" which are characterized by the presence of intracellular aggregates of Tau-proteins in the brain of patients. The formation of such aggregates would result from the loss of the normal functions of the Tau-proteins to properly organize the microtubule network within the axon ; which leads to a progressive loss of microtubule’s mass within the axons, the disorganization of the axonal transport and at the end, the cell death. To understand the Tauopathies, we have to understand :- the dynamic of microtubules which is controlled by the mechanisms of the dynamic instability in which microtubules switch between a phase of growth (polymerization of GTP) and a phase of shrinkage (dissociation of GDP)- the interaction between Tau-proteins and microtubules which play an important role in the polymerization, stabilization and spatial organization of microtubules within the axonal network.The objective of this work is to build and consolidate the blocks in order to go to precise modeling of the interaction of microtubules with a dynamic population of Tau-proteins. To this purpose, two problems were considered : (i) the intrinsic dynamic of microtubules (i.e., in absence of Tau-proteins) and (ii) the interaction between Tau-proteins and a stabilized-microtubules (i.e., in absence of dynamic instability)In order to this, the work has been done according to two approaches :- Theoretical : development of mathematical models describing the different process.- Simulation : development of Monte-Carlo programs (under Matlab)The main results have been organized in two main parts :1) Development of a mesoscopic model describing the dynamic instability of microtubules at the scale of the tubulin. This model describes the non-Markovian dynamic of microtubules and the characteristics are compatible with the experimental observations.2) Development of a model describing the dynamical decoration of a microtubule by a population of Tau-proteins. The characteristics of the model are based, for the construction, and compatible with the experimental observations.


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