Régulation de la motilité par la paire centrale
Les changements de motilité en réponse à des stimuli externes peuvent prendre l’une des deux formes suivantes. Le stimulus peut modifier la fréquence de réorientation aléatoire, comme cela se produit chez les bactéries, de sorte que la motilité dans une direction favorable est récompensée, ou le stimulus peut réguler directement la motilité de sorte que l’organisme tourne dans une direction définie par rapport au stimulus (vers le stimulus pour les taxis positifs, à l’écart pour les taxis négatifs). Un tel retournement tactique nécessite des récepteurs localisés qui peuvent fonctionner comme une antenne, et un appareil de motilité qui peut être contrôlé de manière directionnelle (Foster et Smyth, 1980). Un simple type de régulation arrêt-réorientation-départ ne nécessite pas une régulation sophistiquée de la motilité. Dans les flagelles, le contrôle directionnel nécessite des changements coordonnés de la forme d’onde et de la fréquence des battements et donc un appareil de régulation plus sophistiqué. Le système de la paire centrale et des rayons radiaux remplit ce rôle dans les cils et les flagelles 9+2, comme le démontre de manière élégante le cas de Chlamydomonas (Fig. 1D). Cette algue unicellulaire biflagellée répond aux stimuli phototactiques en modifiant la forme d’onde relative, la vitesse de déplacement et la fréquence de battement de ses deux flagelles (Witman, 1993). Les preuves disponibles indiquent que la phototaxie implique une voie de transduction du signal depuis l’appareil central, à travers les rayons radiaux, jusqu’à un complexe régulateur associé aux doublets, qui modifie ensuite le schéma de l’activité de la dynéine et donc de la formation et de la propagation des coudes par des changements dans les protéines kinases et phosphatases associées à la dynéine (Porter et Sale, 2000 ; Smith et Yang, 2004).
Bien qu’il ait pu y avoir plus d’une façon possible de former un appareil central asymétrique, celui construit sur un échafaudage minimal de deux microtubules pourrait avoir été le premier à évoluer et nécessiterait une modification minimale du protocilium, principalement l’ajout d’un nouveau site d’initiation d’assemblage dans la zone de transition ainsi qu’une structure (rayon radial) pour transmettre les signaux de l’appareil central aux dynéines associées aux doublets. Nous imaginons que les rayons radiaux ont évolué à partir de la régulation de la dynéine dans les feuilles de doublets, où ils interagissaient à leur base avec un complexe de régulation de la dynéine associé au doublet et à leur extrémité avec des protéines associées aux microtubules sur une autre rangée de doublets ou sur un cytosquelette de microtubules cortical singlet. Il semble remarquable, étant donné la probabilité que les dynéines flagellaires aient évolué à partir des dynéines cytoplasmiques, qu’aucun mécanisme de régulation commun ne soit connu pour ces deux familles de dynéines. Cependant, cela peut refléter notre manque actuel de connaissances plutôt qu’une absence de mécanismes conservés. Une analyse moléculaire récente d’une protéine dans le complexe régulateur de la dynéine de Chlamydomonas a révélé une structure primaire qui présente des similitudes avec les protéines cytoplasmiques, mais une relation avec la dynéine cytoplasmique n’a pas été établie (Rupp et Porter, 2003).
Figurer les modèles spécifiques d’interaction entre les projections de la paire centrale de microtubules et les rayons radiaux qui suscitent des changements spécifiques dans l’activité de la dynéine reste une grande énigme. Les résultats récents de notre laboratoire, y compris l’analyse de la structure normale de la paire centrale, la caractérisation des mutants défectueux dans l’assemblage de la paire centrale et la détermination de l’orientation de la paire centrale pendant la propagation de la courbure, contraignent les modèles de la façon dont le CP régule la dynéine. Nous tentons ici de synthétiser une hypothèse de régulation de la paire centrale cohérente avec ces résultats.
La précédente microscopie électronique en coupe mince d’axonèmes de Chlamydomonas et de Tetrahymena, ainsi que des préparations de coloration négative de complexes de paires centrales provenant de cils de Tetrahymena (Chasey, 1969) et de flagelles de spermatozoïdes de rat (Olson et Linck, 1977) ont révélé la structure asymétrique des complexes de paires centrales et ont défini le microtubule de CP avec des projections plus longues en coupe transversale et des périodicités de répétition de 32 nm comme C1, tandis que l’autre (C2) a des projections plus courtes avec seulement des répétitions de 16 nm. En comparant des sections minces transversales et longitudinales de complexes de paires centrales de type sauvage avec des complexes de paires centrales provenant de mutants d’assemblage pf6 et cpc1, j’ai déterminé les relations structurelles et les périodes de répétition pour la plupart des projections associées à C1 et C2 chez Chlamydomonas. Les vues de surface fournies par les images stéréo des préparations congelées et gravées en profondeur ont confirmé et élargi ces conclusions et ont permis une reconstruction tridimensionnelle assez complète de la paire centrale (Mitchell, 2003a). Ces études fournissent un modèle des sites d’interaction potentiels des rayons sur la paire centrale, et montrent en particulier des discontinuités dans la surface autrement cylindrique de la PC le long des surfaces des microtubules qui font face aux têtes de rayons adjacentes. L’asymétrie globale du complexe CP est également mise en évidence, ce qui suggère des interactions uniques entre les rayons à différentes positions radiales autour du cylindre CP. Le clonage des gènes pf6 (Rupp et al., 2001) et cpc1 (Mitchell et Sale, 1999 ; Zhang et Mitchell, 2004) et l’identification de leurs produits génétiques n’ont pas permis d’identifier des candidats évidents pour les protéines qui interagissent avec les rayons radiaux, mais une protéine semblable à la kinésine (Klp1) sur le microtubule C2 (Bernstein et al., 1994) est un candidat attrayant pour une protéine de liaison des rayons. Nous avons récemment montré que les flagelles dans les cellules knockdown Klp1 battent avec des fréquences dramatiquement réduites (Mitchell et Yokoyama, 2003).
Les études SEM montrent que le CP maintient une orientation fixe par rapport au corps cellulaire et aux doublets externes dans certains organismes, tandis que dans d’autres le CP a une orientation variable. D’un point de vue phylogénétique, une orientation fixe semble être une simplification dérivée dans les organites qui ont un plan de courbure fixe, comme les cils des plaques de peigne des cténophores (Tamm et Tamm, 1981) et de nombreux spermatozoïdes métazoaires (Sale, 1986). Dans des exemples extrêmes, les microtubules C1 et C2 sont attachés aux doublets 8 et 3, respectivement, par des liens permanents (soit des rayons modifiés, soit des structures accessoires). À l’extrême opposé, on trouve les cils et les flagelles des organismes unicellulaires qui s’appuient sur des changements rapides de la forme d’onde, de la fréquence des battements et de l’orientation effective de la course pour répondre aux signaux environnementaux. Les CP de ces organites sont tordus, de sorte qu’ils ne conservent pas une orientation fixe de la base à la pointe au sein des 9 doublets environnants. De plus, ces CP torsadées tournent pendant la propagation de la courbure (Omoto et al., 1999). Nous avons récemment montré que la PC de Chlamydomonas est orientée parallèlement au plan de la courbure à l’intérieur de chaque courbure (Fig. 1D), et qu’elle tourne de 180° entre les courbures principales et inverses successives, et que le microtubule C1 est toujours le plus proche des doublets du côté extérieur de chaque courbure (Mitchell, 2003b). Cette orientation constante du CP par rapport à un coude chez Chlamydomonas permet à un ensemble de projections du CP d’interagir avec les rayons radiaux attachés aux doublets avec des dynéines actives, tandis qu’un autre ensemble de projections du CP interagit avec les rayons radiaux sur les doublets avec des dynéines inactives.
Bien que l’enveloppe du battement soit presque plane chez Chlamydomonas, et que la direction des coudes principaux ne change pas radicalement en s’éloignant d’un plan constant, ce n’est pas vrai chez d’autres organismes. Si l’orientation de la PC suit également l’orientation des courbes dans ces autres organismes, comme je le propose, alors la PC est toujours positionnée pour fournir un contrôle flexible de la motilité. Nos résultats récents indiquent que l’orientation de la PC se conforme passivement aux courbes lorsqu’elles se forment à la base d’un flagelle de Chlamydomonas, puis que cette orientation dépendante de la courbure se transloque lorsque chaque courbure se propage de la base à la pointe. Une analogie dans le domaine de l’ingénierie est l’engrenage à vis sans fin, dans lequel la rotation de la vis sans fin (paire centrale) est liée au mouvement perpendiculaire (propagation de la courbure) des roues dentées interdigitées d’un engrenage denté (courbures axonémales). La direction d’une courbure principale ne peut donc pas être déterminée par l’orientation de la paire centrale, qui se conforme passivement aux courbures, mais doit être régulée au niveau du doublet externe, par des modèles d’initiation à la base du flagelle. Les signaux régulateurs de la PC peuvent alors déterminer la forme et la fréquence des battements par la modulation directe des modèles d’activité de la dynéine dans les courbes en développement et en propagation. Cette hypothèse est cohérente avec les résultats de la réorientation vibratoire du plan de battement des axonèmes d’oursins (Shingyoji et al., 1991 ; Takahashi et al., 1991). Si le nouveau plan de battement induit par la vibration force une nouvelle orientation de la paire centrale, alors la relaxation du système après le retrait de la vibration imposée à ces cellules nécessiterait une rotation graduelle de la paire centrale vers sa position de repos. Malheureusement, aucune information sur l’orientation réelle de la PC n’a été obtenue dans ces expériences. Cette hypothèse est également cohérente avec le modèle de glissement des doublets observé dans les axonèmes de Chlamydomonas traités par des protéases, dans lesquels les modèles de glissement des doublets maintiennent une relation constante avec l’orientation de la paire centrale (Wargo et Smith, 2003 ; Wargo et al… 2004), 2004), et avec des études de l’activité de la dynéine dans les axonèmes perturbés de Chlamydomonas (Smith, 2002) et d’oursins (Yoshimura et Shingyoji, 1999 ; Nakano et al., 2003), qui montrent une modulation de l’activité dépendante du calcium et de la paire centrale.
De quelle valeur prédictive sont ces spéculations sur l’évolution des cils et des flagelles ? Premièrement, nous supposons que le développement de la motilité de surface flagellaire est primitif et susceptible d’être rencontré largement, même dans les dérivés ciliaires qui ne battent pas. Il est clair que l’IFT est une motilité essentielle et universelle pour l’assemblage des organites mobiles et non-mobiles, donc le lien de cette machinerie avec le mouvement extracellulaire peut être aussi répandu. Deuxièmement, la séquestration des récepteurs sur les membranes ciliaires est également primitive et constitue probablement une pression sélective majeure pour le maintien de l’existence des cils primaires non mobiles, ainsi que des cils plus fortement modifiés des organes sensoriels. Comme les dérivés ciliaires assurent des fonctions essentielles dans les neurones sensoriels de nombreux organismes, il suffit d’un petit saut de l’imagination pour suggérer que le protocilium a également constitué la plate-forme ancestrale de tous les processus sensoriels, et que des caractéristiques supplémentaires de cet organite peuvent être communes dans les cascades de transduction sensorielle. Troisièmement, l’orientation du centrosome comme indicateur de la polarité cellulaire et de la direction de la migration pour les cellules mobiles est également très primitive. Si tel est le cas, l’importance du protocilium en tant que déterminant précoce de la polarité cellulaire et de la direction de la migration suggère que davantage de liens devraient être recherchés entre les mécanismes qui déterminent la polarité cellulaire et les mécanismes qui orientent les centrosomes/centrioles avec le réseau cytoplasmique de microtubules. Enfin, la régulation des cils et des flagelles par la paire centrale doit également s’être développée très tôt dans l’évolution eucaryote, avant la radiation de tous les phylums eucaryotes existants. Bien que des différences existent sans aucun doute dans la régulation détaillée requise par ces organites dans différents organismes et types de cellules, nous devrions nous attendre à trouver de nombreux traits universels dans la façon dont les interactions entre la paire centrale et les rayons radiaux régulent l’activité de la dynéine, et nous pourrions encore trouver des thèmes communs dans la régulation des moteurs dynéine axonémiques et cytoplasmiques.