Au cours de la division cellulaire dans une cellule mère, les 23 chromosomes qui portent le génome humain doivent d’abord être copiés puis livrés à deux cellules filles nouvellement formées. Au moins dans les cellules saines, le résultat est étonnamment parfait et aucun chromosome n’est jamais perdu. Ce n’est pas le cas dans les cellules malignes, où les erreurs de ségrégation chromosomique endémiques génèrent un flux continu de nouvelles variantes génétiques qui favorisent la croissance métastatique et la résistance à la chimiothérapie. Une structure protéique multicouche appelée kinétochore exécute le programme de délivrance des chromosomes. Dans un tour de force collaboratif hautement interdisciplinaire, les groupes d’Andrea Musacchio et de Stefan Raunser de l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire ont étudié la couche la plus externe de cette structure, la couronne du kinétochore. À l’aide de la cryomicroscopie électronique monoparticule et de la reconstitution des protéines, ils ont révélé l’organisation structurelle du principal élément constitutif de la couronne, le complexe RZZ, et ont déchiffré le mécanisme d’assemblage de la couronne. Leurs résultats éclairent les fondements moléculaires de l’héritage du génome à travers les générations.
La division cellulaire construit notre corps, fournissant toutes les cellules de nos tissus et organes, de la peau à l’intestin, du sang au cerveau. Cela permet non seulement à ces organes de se développer, mais aussi de se régénérer avec des cellules fraîches si nécessaire. La division cellulaire commence par la réplication des chromosomes, porteurs des trois milliards de nucléotides du génome humain. Les chromosomes répliqués sont ensuite distribués aux cellules filles dans un processus appelé mitose. Au cours de la mitose, un réseau de structures filiformes appelé fuseau mitotique capture initialement les chromosomes. Après les avoir positionnés selon un processus hautement chorégraphié, le fuseau sépare les chromosomes en sens opposé, de sorte que lorsque deux cellules se forment à partir d’une seule, chacune hérite d’une copie exacte du génome. Même les plus petites erreurs dans ce processus auront des conséquences physiologiques désastreuses.
Un défi à plusieurs niveaux
Le kinétochore est le point de contact des chromosomes avec le fuseau, et est donc impliqué de manière cruciale dans le processus d’alignement et de partition des chromosomes. C’est un complexe complexe de protéines multicouches. « Comprendre les kinétochores est un énorme défi, car ils se composent de plusieurs couches, chacune constituée de nombreux blocs de construction en interaction », explique Musacchio. « La couche la plus externe, la couronne, a conservé certains des secrets les plus intéressants du kinétochore. Son assemblage est particulièrement intéressant, car le complexe a une courte durée de vie qui se termine juste avant les étapes critiques de l’alignement et de la ségrégation des chromosomes. »
Dans une série d’études antérieures, le laboratoire de Musacchio a fait des percées fondamentales dans la structure et la fonction des différentes couches de kinétochores et comment ils relient les chromosomes aux microtubules. Pour acquérir ces connaissances, le groupe a adopté une approche réductionniste appelée reconstitution biochimique. Ils ont produit les composants individuels des réseaux de protéines à l’extérieur de la cellule, dans un tube à essai. Ils les ont ensuite réassemblés pièce par pièce pour former un kinétochore presque complet qu’ils ont pu étudier isolément, dans un environnement contrôlé et simplifié qui contraste avec l’intérieur extrêmement complexe et bourdonnant d’une cellule.
Appliquant la même stratégie, l’équipe qualifiée de deux post-doctorants, Tobias Raisch et Giuseppe Ciossani, deux doctorants. étudiants, Ennio d’Amico et Verena Cmentowski, et d’autres collègues ont maintenant pu reconstruire la couronne du kinétochore. Ils ont montré que seuls deux composants suffisent pour cela : le complexe protéique ROD-Zwilch-ZW10 (RZZ) et la protéine Spindly, qui joue un rôle essentiel dans l’interaction du kinétochore avec les microtubules. La couronne s’assemble exclusivement sur les kinétochores, et les mécanismes qui limitent sa croissance à ces structures étaient restés une question cruciale non résolue. En reconstituant le processus in vitro, les scientifiques ont pu identifier une enzyme, la kinase MPS1, comme catalyseur essentiel de l’assemblage de la couronne RZZ au niveau du kinétochore.
Un pas de plus vers la couronne
La microscopie électronique (EM) accompagne l’étude des kinétochores depuis les années 1960, mais ce n’est que récemment que les développements méthodologiques en plein essor ont rendu cette technique capable de visualiser les éléments constitutifs à l’échelle atomique. « En 2017, nous avons généré le tout premier modèle structurel 3D du complexe RZZ par cryo-EM », explique Raunser. « Cependant, à la résolution de 1 nm de ce modèle initial, il était impossible d’observer les détails moléculaires les plus fins responsables de la fonction biologique. »
La nouvelle analyse structurelle a amélioré la résolution au point que des détails atomiques ont émergé, expliquant enfin comment les interactions des composants RZZ avec eux-mêmes et avec Spindly favorisent l’assemblage corona en un grand polymère qui entoure le kinétochore. « Notre travail couronne une succession d’études antérieures sur la couronne du kinétochore, nous fournissant désormais un cadre pour comprendre le moment critique de la division cellulaire lorsque l’attachement des chromosomes aux microtubules devient essentiellement irréversible » conclut Musacchio. Les futures études de l’équipe tenteront d’intégrer la couronne dans des kinétochores reconstitués, franchissant une nouvelle étape importante vers la reconstitution de la ségrégation chromosomique in vitro, un objectif d’une ambition extraordinaire qui éclairera sur la base d’un processus de vie des plus fondamentaux.
La recherche a été publiée dans Le journal de l’EMBO.
Tobias Raisch et al, Structure du complexe RZZ et base moléculaire de l’assemblage de la couronne entraînée par Spindly chez les kinétochores humains, Le journal de l’EMBO (2022). DOI : 10.15252/embj.2021110411
Fourni par l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire