La kinésine peut faire marche arrière

Les cellules nerveuses ont la particularité d’être composées d’un corps cellulaire et d’une extension contenant l’axone. Pour maintenir le bon fonctionnement de la cellule dans sa totalité, il existe un système qui transporte, le long de structures appelées microtubules (MTs) situés au sein des axones, des neurotransmetteurs, protéines, lipides ou encore nutriments depuis leur lieu de synthèse (au sein du corps cellulaire) jusqu’aux extrémités des axones. Les kinésines (il existe un ensemble de 14 familles et le nombre de protéines est estimé être supérieur à 100) sont les protéines motrices qui permettent ce transport rapide vers la partie distale de l’axone. Elles sont capables de convertir de l’énergie chimique - grâce à la liaison d’une molécule d’ATP - en une énergie mécanique. La plus importante est appelée kinésine-1, ou kinésine conventionnelle. Alors que les mécanismes chimiques de ce processus ont été bien décrits, N. J. Carter et R. A. Cross se sont penchés, dans une étude publiée dans le journal Nature, sur l’exécution mécanique du mouvement pour en comprendre les différentes étapes.

Kinésine-1 est présente dans tous les types cellulaires, à tous les stades de développement et dans tous les organismes cellulaires testés. Il s’agit d’un dimère, au sein duquel chacun des monomères est formé d’une tête, d’un corps flexible et d’une queue. Les têtes du dimère contiennent le domaine de liaison et le domaine d’hydrolyse de l’ATP, et se déplacent l’une après l’autre en effectuant un « pas » de 8 nanomètres au cours d’un intervalle de temps de l’ordre de la microseconde. Les queues, quant à elles, sont impliquées dans le transport des molécules. Imaginons un instant que kinésine-1 corresponde à un individu se déplaçant le long d’une corde tendue (le MT) ; ses pieds représenteraient les têtes du dimère, se détachant puis avançant l’un après l’autre le long de la corde (utilisant de l’énergie) et ses mains représenteraient les queues du dimère (portant la charge ou subissant la force). À chaque déplacement, à chaque pas, kinésine-1 dépense l’énergie apportée par la liaison puis l’hydrolyse d’une molécule d’ATP.

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source : www.lib.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb2/part1/images/

Cette étude permet de donner des éléments de réponse concernant d’une part, le transfert de kinésine-1 d’un site d’attachement à un autre sur le MT et, d’autre part, le transfert de la charge d’une queue à l’autre. En appliquant, à l’aide de pinces optiques, une force d’attraction ou de répulsion sur une molécule unique de kinésine-1 attachée à une petite perle en plastique, ils ont ainsi démontré que lorsque la force appliquée sur kinésine-1 dépasse un certain seuil, celle-ci est capable de faire marche arrière.

Au plan chimique, il est connu que lorsque la concentration d’ATP est limitante, kinésine-1 s’arrête ; une tête est alors fermement attachée au microtubule pendant que l’autre est inhibée de façon à ne pas libérer son ADP. L’arrivée et la liaison d’une molécule d’ATP sur la tête attachée au microtubule lève cette inhibition. À concentration d’ATP saturantes, la vitesse de kinésine-1 varie de façon presque linéaire avec la force appliquée, et ce jusqu’à un maximum (environ 7 piconewtons, pN), qui induit alors l’arrêt du mouvement. Si la force appliquée continue d’augmenter, la machinerie entière se met alors à reculer. Les opinions sont partagées quant à la signification de ce phénomène ; il y a ceux qui estiment qu’il s’agit d’un événement de dérapage et ceux qui pensent au contraire qu’il s’agit d’un processus à part entière, nécessitant, tout comme le mouvement en avant, l’énergie libérée par l’hydrolyse d’un ATP. Cette hypothèse est renforcée par des études récentes démontrant que ces « pas » en marche arrière dépendraient de la concentration en ATP. La force appliquée qui oblige la kinésine à stopper son mouvement en avant n’est cependant pas dépendante de la concentration d’ATP.

Notons que les auteurs de l’étude considèrent, au vu de leurs résultats, qu’il existe un décalage, pendant le mouvement en arrière, entre les cycles d’hydrolyse de l’ATP sur les microtubules et le mouvement des têtes de kinésine-1. En effet, ils démontrent que l’intervalle de temps séparant chaque « pas » est inversement proportionnel à la concentration d’ATP, suggérant que la liaison d’une molécule d’ATP est nécessaire pour les deux types de mouvements, avant et arrière. Kinésine-1 utiliserait alors autant d’énergie pour reculer que pour avancer. Ce processus avancé par les deux auteurs peut être illustré, en faisant un parallèle avec le moteur de voiture, qui continue de tourner dans le même sens lorsque l’on passe la marche arrière.


Source : Nature, Vol.435, pp308-12, 19/05/05, www.nature.com

publié le 18/11/2008

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