Evidence of a new mechanism allowing microtubule self-renewal and rejuvenation : effect of molecular motors

Il est communément admis que le microtubule (MT) s’allonge et se raccourcit à son extrémité, lieu de grande instabilité dynamique. Récemment, nous avons découvert que le MT présentait une dynamique inattendue au niveau de sa paroi (lattice), proposant de nouveaux mécanismes de régulation sur la stabilité du MT. Notre hypothèse était que les défauts structurels de la paroi favorisaient les échanges de dimères de tubuline. Nous avons développé plusieurs stratégies pour visualiser et quantifier cette dynamique. Nous avons modulé la quantité de défauts dans la paroi du microtubule et mesuré l'impact sur la durée de vie des microtubules ainsi que sur le renouvellement des dimères le long de celui-ci en présence de tubuline. Nous avons ainsi constaté qu’une augmentation de la vitesse d'élongation augmentait la fréquence des défauts et le renouvellement du microtubule. In vivo, le fonctionnement des microtubules est dépendant des protéines qui lui sont associées (MAPs). Les moteurs moléculaires par exemple ont un rôle primordial dans la cellule et ont un fort impact sur la régulation de la dynamique des microtubules à leurs extrémités. Pendant ma thèse j’ai cherché à savoir si ces moteurs pouvaient impacter la dynamique interne au microtubule le long de sa paroi. J’ai montré que, en se déplaçant sur la paroi non stabilisée du microtubule, les moteurs moléculaires étaient capables de créer et amplifier des défauts préexistants, provoquant la destruction du microtubule, ou son renouvellement en présence de tubuline libre dans le milieu. Cette découverte nous permet de supposer qu'il existe une dynamique de la paroi des microtubules impliquant des échanges de dimères, ainsi qu’un rajeunissement des microtubules dans les systèmes physiologiques.Common textbook knowledge states that the microtubule elongates and shortens only at the tip, where it displays a dynamic instability. Recently, we discovered that the microtubule shows unexpected dynamics along the lattice region offering new regulatory mechanisms of microtubule stability. Our working hypothesis is that structural defects in the microtubule lattice fosters the exchange of dimers.We developed strategies to visualize and quantify these dynamics. We modulated the amount of defects in the microtubule lattice, measured the impact on dimer turnover along the microtubule and found that, by increasing the elongation speed, we increase the defects frequency.In vivo, microtubule functions depend on proteins associated to it (MAPs). For instance, molecular motors play a key role inside cells and have a strong impact on microtubule dynamics, especially at their tips. During my thesis, I aimed to understand how such motors could affect the inside dynamics of microtubules all along their lattice.I have shown that, by walking on an un-stabilized lattice, molecular motors such as kinesines and dyneins are able to create and amplify existing defects, thus provoking fast microtubule collapse, or microtubule renewal if there is free tubulin in the medium.This finding allows us to assume there is microtubule lattice dynamics, involving dimers exchanges and microtubules rejuvenation, inside physiological systems

Mise en évidence d'un nouveau mécanisme permettant le rajeunissement des microtubules : l'effet des moteurs moléculaires

Common textbook knowledge states that the microtubule elongates and shortens only at the tip, where it displays a dynamic instability. Recently, we discovered that the microtubule shows unexpected dynamics along the lattice region offering new regulatory mechanisms of microtubule stability. Our working hypothesis is that structural defects in the microtubule lattice fosters the exchange of dimers.We developed strategies to visualize and quantify these dynamics. We modulated the amount of defects in the microtubule lattice, measured the impact on dimer turnover along the microtubule and found that, by increasing the elongation speed, we increase the defects frequency.In vivo, microtubule functions depend on proteins associated to it (MAPs). For instance, molecular motors play a key role inside cells and have a strong impact on microtubule dynamics, especially at their tips. During my thesis, I aimed to understand how such motors could affect the inside dynamics of microtubules all along their lattice.I have shown that, by walking on an un-stabilized lattice, molecular motors such as kinesines and dyneins are able to create and amplify existing defects, thus provoking fast microtubule collapse, or microtubule renewal if there is free tubulin in the medium.This finding allows us to assume there is microtubule lattice dynamics, involving dimers exchanges and microtubules rejuvenation, inside physiological systems.Il est communément admis que le microtubule (MT) s’allonge et se raccourcit à son extrémité, lieu de grande instabilité dynamique. Récemment, nous avons découvert que le MT présentait une dynamique inattendue au niveau de sa paroi (lattice), proposant de nouveaux mécanismes de régulation sur la stabilité du MT. Notre hypothèse était que les défauts structurels de la paroi favorisaient les échanges de dimères de tubuline. Nous avons développé plusieurs stratégies pour visualiser et quantifier cette dynamique. Nous avons modulé la quantité de défauts dans la paroi du microtubule et mesuré l'impact sur la durée de vie des microtubules ainsi que sur le renouvellement des dimères le long de celui-ci en présence de tubuline. Nous avons ainsi constaté qu’une augmentation de la vitesse d'élongation augmentait la fréquence des défauts et le renouvellement du microtubule. In vivo, le fonctionnement des microtubules est dépendant des protéines qui lui sont associées (MAPs). Les moteurs moléculaires par exemple ont un rôle primordial dans la cellule et ont un fort impact sur la régulation de la dynamique des microtubules à leurs extrémités. Pendant ma thèse j’ai cherché à savoir si ces moteurs pouvaient impacter la dynamique interne au microtubule le long de sa paroi. J’ai montré que, en se déplaçant sur la paroi non stabilisée du microtubule, les moteurs moléculaires étaient capables de créer et amplifier des défauts préexistants, provoquant la destruction du microtubule, ou son renouvellement en présence de tubuline libre dans le milieu. Cette découverte nous permet de supposer qu'il existe une dynamique de la paroi des microtubules impliquant des échanges de dimères, ainsi qu’un rajeunissement des microtubules dans les systèmes physiologiques

Mise en évidence d'un nouveau mécanisme permettant le rajeunissement des microtubules : l'effet des moteurs moléculaires

Common textbook knowledge states that the microtubule elongates and shortens only at the tip, where it displays a dynamic instability. Recently, we discovered that the microtubule shows unexpected dynamics along the lattice region offering new regulatory mechanisms of microtubule stability. Our working hypothesis is that structural defects in the microtubule lattice fosters the exchange of dimers.We developed strategies to visualize and quantify these dynamics. We modulated the amount of defects in the microtubule lattice, measured the impact on dimer turnover along the microtubule and found that, by increasing the elongation speed, we increase the defects frequency.In vivo, microtubule functions depend on proteins associated to it (MAPs). For instance, molecular motors play a key role inside cells and have a strong impact on microtubule dynamics, especially at their tips. During my thesis, I aimed to understand how such motors could affect the inside dynamics of microtubules all along their lattice.I have shown that, by walking on an un-stabilized lattice, molecular motors such as kinesines and dyneins are able to create and amplify existing defects, thus provoking fast microtubule collapse, or microtubule renewal if there is free tubulin in the medium.This finding allows us to assume there is microtubule lattice dynamics, involving dimers exchanges and microtubules rejuvenation, inside physiological systems.Il est communément admis que le microtubule (MT) s’allonge et se raccourcit à son extrémité, lieu de grande instabilité dynamique. Récemment, nous avons découvert que le MT présentait une dynamique inattendue au niveau de sa paroi (lattice), proposant de nouveaux mécanismes de régulation sur la stabilité du MT. Notre hypothèse était que les défauts structurels de la paroi favorisaient les échanges de dimères de tubuline. Nous avons développé plusieurs stratégies pour visualiser et quantifier cette dynamique. Nous avons modulé la quantité de défauts dans la paroi du microtubule et mesuré l'impact sur la durée de vie des microtubules ainsi que sur le renouvellement des dimères le long de celui-ci en présence de tubuline. Nous avons ainsi constaté qu’une augmentation de la vitesse d'élongation augmentait la fréquence des défauts et le renouvellement du microtubule. In vivo, le fonctionnement des microtubules est dépendant des protéines qui lui sont associées (MAPs). Les moteurs moléculaires par exemple ont un rôle primordial dans la cellule et ont un fort impact sur la régulation de la dynamique des microtubules à leurs extrémités. Pendant ma thèse j’ai cherché à savoir si ces moteurs pouvaient impacter la dynamique interne au microtubule le long de sa paroi. J’ai montré que, en se déplaçant sur la paroi non stabilisée du microtubule, les moteurs moléculaires étaient capables de créer et amplifier des défauts préexistants, provoquant la destruction du microtubule, ou son renouvellement en présence de tubuline libre dans le milieu. Cette découverte nous permet de supposer qu'il existe une dynamique de la paroi des microtubules impliquant des échanges de dimères, ainsi qu’un rajeunissement des microtubules dans les systèmes physiologiques

Mise en évidence d'un nouveau mécanisme permettant le rajeunissement des microtubules : l'effet des moteurs moléculaires

Common textbook knowledge states that the microtubule elongates and shortens only at the tip, where it displays a dynamic instability. Recently, we discovered that the microtubule shows unexpected dynamics along the lattice region offering new regulatory mechanisms of microtubule stability. Our working hypothesis is that structural defects in the microtubule lattice fosters the exchange of dimers.We developed strategies to visualize and quantify these dynamics. We modulated the amount of defects in the microtubule lattice, measured the impact on dimer turnover along the microtubule and found that, by increasing the elongation speed, we increase the defects frequency.In vivo, microtubule functions depend on proteins associated to it (MAPs). For instance, molecular motors play a key role inside cells and have a strong impact on microtubule dynamics, especially at their tips. During my thesis, I aimed to understand how such motors could affect the inside dynamics of microtubules all along their lattice.I have shown that, by walking on an un-stabilized lattice, molecular motors such as kinesines and dyneins are able to create and amplify existing defects, thus provoking fast microtubule collapse, or microtubule renewal if there is free tubulin in the medium.This finding allows us to assume there is microtubule lattice dynamics, involving dimers exchanges and microtubules rejuvenation, inside physiological systems.Il est communément admis que le microtubule (MT) s’allonge et se raccourcit à son extrémité, lieu de grande instabilité dynamique. Récemment, nous avons découvert que le MT présentait une dynamique inattendue au niveau de sa paroi (lattice), proposant de nouveaux mécanismes de régulation sur la stabilité du MT. Notre hypothèse était que les défauts structurels de la paroi favorisaient les échanges de dimères de tubuline. Nous avons développé plusieurs stratégies pour visualiser et quantifier cette dynamique. Nous avons modulé la quantité de défauts dans la paroi du microtubule et mesuré l'impact sur la durée de vie des microtubules ainsi que sur le renouvellement des dimères le long de celui-ci en présence de tubuline. Nous avons ainsi constaté qu’une augmentation de la vitesse d'élongation augmentait la fréquence des défauts et le renouvellement du microtubule. In vivo, le fonctionnement des microtubules est dépendant des protéines qui lui sont associées (MAPs). Les moteurs moléculaires par exemple ont un rôle primordial dans la cellule et ont un fort impact sur la régulation de la dynamique des microtubules à leurs extrémités. Pendant ma thèse j’ai cherché à savoir si ces moteurs pouvaient impacter la dynamique interne au microtubule le long de sa paroi. J’ai montré que, en se déplaçant sur la paroi non stabilisée du microtubule, les moteurs moléculaires étaient capables de créer et amplifier des défauts préexistants, provoquant la destruction du microtubule, ou son renouvellement en présence de tubuline libre dans le milieu. Cette découverte nous permet de supposer qu'il existe une dynamique de la paroi des microtubules impliquant des échanges de dimères, ainsi qu’un rajeunissement des microtubules dans les systèmes physiologiques

A new perspective on microtubule dynamics: destruction by molecular motors and self-repair

International audienceMicrotubules are dynamic polymers, permanently assembling and disassembling, that serve as tracks for intra-cellular transport by molecular motors. We recently found that the low energy of tubulin dimer interactions allows for spontaneous loss of tubulin dimers from the microtubule lattice [1]. This raised the possibility that the mechanical work produced by molecular motors as they move on microtubules can break dimer interactions and trigger microtubule disassembly. In a recent study, we tested this hypothesis by studying the interplay between microtubules and moving molecular motors in vitro [2]. Our results show that molecular motors can remove tubulin dimers from the lattice and rapidly destroy microtubules. We also found that dimer removal by motors was compensated by the insertion of free tubulin dimers into the microtubule lattice. This self-repair mechanism allows microtubules to survive the damage induced by molecular motors as they move along their tracks. Our study reveals the existence of coupling between the motion of molecular motors and the renewal of the microtubule lattice

Self-repair protects microtubules from their destruction by molecular motors:

Microtubules are dynamic polymers that are used for intracellular transport and chromosome segregation during cell division. Their instability stems from the low energy of tubulin dimer interactions, which sets the growing polymer close to its disassembly conditions. Microtubules function in coordination with kinesin and dynein molecular motors, which use ATP hydrolysis to produce mechanical work and move on microtubules. This raises the possibility that the forces produced by walking motors can break dimer interactions and trigger microtubule disassembly. We tested this hypothesis by studying the interplay between microtubules and moving molecular motors in vitro. Our results show that the mechanical work of molecular motors can remove tubulin dimers from the lattice and rapidly destroy microtubules. This effect was not observed when free tubulin dimers were present in the assay. Using fluorescently labelled tubulin dimers we found that dimer removal by motors was compensated for by the insertion of free tubulin dimers into the microtubule lattice. This self-repair mechanism allows microtubules to survive the damage induced by molecular motors as they move along their tracks. Our study reveals the existence of coupling between the motion of kinesin and dynein motors and the renewal of the microtubule lattice

Self-repair protects microtubules from destruction by molecular motors

International audienceMicrotubule instability stems from the low energy of tubulin dimer interactions, which sets the growing polymer close to its disassembly conditions. Molecular motors use ATP hydrolysis to produce mechanical work and move on microtubules. This raises the possibility that the mechanical work produced by walking motors can break dimer interactions and trigger microtubule disassembly. We tested this hypothesis by studying the interplay between microtubules and moving molecular motors in vitro. Our results show that molecular motors can remove tubulin dimers from the lattice and rapidly destroy microtubules. We also found that dimer removal by motors was compensated for by the insertion of free tubulin dimers into the microtubule lattice. This self-repair mechanism allows microtubules to survive the damage induced by molecular motors as they move along their tracks. Our study reveals the existence of coupling between the motion of molecular motors and the renewal of the microtubule lattice

Molecular motors destroy microtubules and catalyze tubulin exchange within the lattice.

International audienc