Des scientifiques de l’UC Berkeley ont découvert l’effet extrêmement subtil que le médicament sur ordonnance Taxol a à l’intérieur des cellules et qui en fait l’un des agents anticancéreux les plus utilisés au monde.
Les détails, impliquant l’interférence du médicament avec le fonctionnement normal des microtubules, une partie du squelette de la cellule, pourraient aider à concevoir de meilleurs médicaments anticancéreux, ou à améliorer le Taxol et d’autres médicaments déjà connus pour perturber le fonctionnement des microtubules.
Les résultats sont présentés dans le numéro du 22 mai de la revue Cell.
« Les efforts visant à mieux comprendre ces chimiothérapies sont très importants, car il existe certaines différences entre les microtubules des cellules cancéreuses et ceux des cellules normales que nous pouvons peut-être exploiter », a déclaré l’auteur principal Eva Nogales, biophysicienne, professeur de biologie moléculaire et cellulaire à l’UC Berkeley et scientifique principal de la faculté du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). « Nous n’en sommes pas encore là, mais c’est le genre d’analyse dont nous avons besoin pour y parvenir. »
Le taxol, extrait à l’origine de l’écorce de l’if du Pacifique, est l’un des médicaments les plus couramment utilisés contre les tumeurs solides, et un médicament de première ligne pour le traitement du cancer des ovaires et du cancer du sein avancé. Le médicament est connu pour se lier aux microtubules et les figer en place, ce qui les empêche de séparer les chromosomes lorsqu’une cellule se divise. Cela tue les cellules qui se divisent, en particulier les cellules cancéreuses, connues pour leur prolifération rapide.
Nogales, chercheuse au Howard Hughes Medical Institute, a travaillé sur les microtubules depuis qu’elle était doctorante en Angleterre au début des années 90, utilisant des techniques telles que la diffusion des rayons X et la microscopie cryoélectronique pour étudier comment le Taxol et d’autres agents anticancéreux affectent les microtubules. Plus tard, lors de son travail postdoctoral au LBNL avec Ken Downing, elle a été la première à découvrir exactement où le Taxol se lie à l’élément de base, appelé tubuline, du polymère des microtubules.
Les microtubules sont le squelette de la cellule
Les travaux de nombreux scientifiques dans le monde ont montré que le réseau de microtubules à l’intérieur des cellules, appelé cytosquelette, est très différent des squelettes rigides des animaux. Les microtubules sont des filaments de polymère qui croissent et rétrécissent en permanence et, ce faisant, poussent et tirent des éléments autour de la cellule, y compris les chromosomes. Les scientifiques appellent cela l’instabilité dynamique. Les microtubules constituent également une autoroute pour transporter les organites et autres paquets autour de la cellule.
La tubuline, l’unité structurelle de base du microtubule, est un complexe de deux protéines – l’alpha et la bêta tubuline. Les unités de tubuline s’empilent les unes sur les autres pour former des bandes qui s’alignent avec d’autres bandes, puis se referment pour former un tube creux, le microtubule.
« La tubuline, la protéine cytosquelettique qui s’auto-assemble en microtubules, est absolument essentielle à la vie de chaque cellule eucaryote, ce qui explique pourquoi elle est devenue une cible majeure des agents anticancéreux », a déclaré Nogales. « Il est étonnant de voir comment les microtubules sondent et essaient de nouvelles choses presque au hasard, mais il existe un niveau de contrôle intégré à la cellule qui, en fin de compte, donne un sens à ce chaos, et la cellule survit et prospère. »
Les microtubules croissent à partir de leur extrémité libre à environ 1 micron par minute en ajoutant continuellement plus de tubuline (environ 20 molécules de tubuline par seconde). Mais s’ils cessent de croître, ils s’épluchent rapidement comme la peau d’une banane, libérant la tubuline pour la recycler dans d’autres microtubules. Ce pelage, ou dépolymérisation, a lieu jusqu’à 15 microns par minute, soit environ 300 molécules de tubuline qui tombent par seconde, a déclaré Nogales.
Les microtubules sont comme des ressorts comprimés
Nogales a maintenant découvert pourquoi les microtubules se pelent si rapidement. Lorsqu’ils s’assemblent, les bandes de tubuline sont soumises à une tension intense, mais empêchées de se plier et de s’écarter par la coiffe de tubuline en croissance à l’extrémité. Une fois que la croissance s’arrête et que cette coiffe disparaît, la tension retenue déchire le microtubule.
La tension est créée lorsque le complexe de tubuline, auquel est attachée une petite molécule énergétique appelée GTP (guanosine triphosphate), est hydrolysé et que le GTP se transforme en GDP (guanosine diphosphate). Cette réaction chimique compacte les sous-unités alpha et bêta, un peu comme des vertèbres compactées, maintenant l’empilement de tubuline sous tension tant que le microtubule croît à son extrémité.
« Il avait été proposé que la tubuline devait être contrainte, mais personne ne l’avait prouvé », a déclaré Nogales. « Ce que nous avons vu, c’est qu’au fur et à mesure que l’hydrolyse du GTP se produit, la structure de la tubuline se bloque dans un état tendu, comme un ressort comprimé. Les sous-unités terminales maintiennent l’ensemble. »
Lorsque la croissance s’arrête, la tension est libérée, et les bandes se détachent rapidement.
Fermeture de la sous-unité de tubuline qui constitue le réseau de microtubules de la cellule (vert). Le noyau est en bleu.
« Ce travail représente une avancée majeure sur un problème qui a une longue histoire », écrit Tim Mitchison dans un commentaire publié dans le même numéro de Cell. Mitchison, professeur de biologie systémique à l’université Harvard, a été le premier à montrer l’importance de l’hydrolyse du GTP dans la déstabilisation des microtubules. Le modèle proposé par Nogales et son équipe, a-t-il ajouté, « fournit notre premier aperçu de (ce) mécanisme de déstabilisation. »
Nogales a également constaté que le Taxol s’insère dans la protéine tubuline et empêche la compaction des sous-unités alpha et bêta, de sorte qu’aucune tension ne s’accumule. En conséquence, même si le microtubule cesse de croître, il reste intact, essentiellement gelé sur place, incapable de se détacher, ou de se dépolymériser, et de remplir sa fonction normale.
« Le Taxol inverse les effets de l’hydrolyse du GTP », a-t-elle déclaré.
Pousser les limites de la microscopie cryoélectronique
Nogales et son équipe ont découvert ces changements structurels en repoussant les limites de la microscopie cryoélectronique, une technique dans laquelle les échantillons sont congelés et sondés avec un faisceau d’électrons de forte puissance. Ils ont maintenant atteint une résolution suffisante pour voir des détails d’une taille inférieure à 5 angströms (un dixième de nanomètre), ce qui correspond à peu près à la taille de cinq atomes d’hydrogène. Alors que, jusqu’à présent, la plupart des informations sur la structure de la tubuline à l’intérieur des microtubules provenaient de l’étude de feuilles artificielles et plates constituées de bandes alignées de tubuline, Nogales a pu sonder des microtubules tridimensionnels figés dans leur état naturel, avec et sans Taxol lié à la tubuline. Cette comparaison a clairement montré l’effet du Taxol sur la structure des microtubules.
Les autres coauteurs de l’article sont l’ancien étudiant diplômé en biophysique de l’UC Berkeley, Gregory M. Alushin, qui travaille maintenant au National Heart Lung and Blood Institute à Bethesda, Md ; l’ancien postdoc du LBNL, Gabriel C. Lander, qui travaille maintenant au Scripps Research Institute à La Jolla, Calif.; Elizabeth H. Kellogg, de l’UC Berkeley ; Rui Zhang, du LBNL, et David Baker, de l’Université de Washington, à Seattle.
La recherche est financée par l’Institut national des sciences médicales générales des Instituts nationaux de la santé (GM051487), la Fondation Damon Runyon pour la recherche sur le cancer et l’Institut médical Howard Hughes.