Université de Rennes Study of the structural instability of microtubules Étude de l'instabilité structurale des microtubules Cryo-microscopie électroniqueMicrotubuleHétérogénéité du réseau Cryo-Electron Microscopy (cryo-EM)MicrotubulesLattice heterogeneity Cryomicroscopie électronique Microtubules Protéines du cytosquelette Polymérisation Les microtubules (MTs) sont des polymères essentiels du cytosquelette formés d’hétérodimères d’αβ-tubuline, dont l’instabilité dynamique sous-tend des processus cellulaires majeurs. Cette thèse a développé un workflow multi-échelle en cryo-EM, complété par de nouvelles approches computationnelles, afin de cartographier l’hétérogénéité du réseau à l’échelle d’un MT unique et de la relier directement à l’état d’assemblage. Grâce à cette approche, nous avons d’abord démontré que le nombre et la position des jointures peuvent varier au sein d’un même MT, générant des discontinuités locales le long du filament. Nous avons ensuite identifié deux types d’interactions latérales jusque-là non décrits, appelés Type C et D, qui créent des réseaux avec rupture de symétrie hélicoïdale. Ces géométries non canoniques impliquent un décalage axial d’environ 21 Å et une rotation vers l’intérieur des protofilaments, et ont été résolues à 2,9 Å et 3,1 Å respectivement, révélant de nouveaux contacts latéraux à haut rayon. En parallèle, nous avons obtenu les structures des réseaux de type A et B à la plus haute résolution à ce jour, soit 2,5 Å et 2,7 Å respectivement. Des expériences cinétiques ont montré que ces Type C et D sont enrichis lors de la phase de croissance rapide, établissant qu’il s’agit d’intermédiaires cinétiques favorisés. Des analyses complémentaires ont par ailleurs suggéré qu’End Binding protein 1 agit comme un régulateur supprimant à la fois la variabilité du nombre de protofilaments et la formation de géométries non canoniques, maintenant ainsi la fidélité du réseau. Dans l’ensemble, ce travail a mis en évidence de nouvelles formes d’hétérogénéité des MTs, souligné leurs relations structurales et leurs origines cinétiques, et les a reliées à une régulation par l’environnement autour du MT, forçant à reconsidérer les modèles actuels de l’instabilité dynamique et des processus biologiques associés. Microtubules (MTs) are essential cytoskeletal polymers formed from αβ-tubulin heterodimers, whose dynamic instability underlies important cellular processes. This thesis developed a multi-scale cryo-EM workflow, complemented by new computational pipelines, to map lattice heterogeneity at the single-filament level and directly link it to assembly state. Using this approach, we first demonstrated that the number and position of seams can vary within individual MTs, generating local discontinuities along the MT. We then uncovered two previously undescribed lateral contact types, termed Type C and D, that create helical symmetry breaks lattices. These non-canonical geometries involve a ~21 Å axial shift and inward protofilament rotation, and were resolved at 2.9 Å and 3.1 Å, respectively, revealing new high-radius lateral contacts. Time-resolved assays revealed that such breaks are enriched during rapid growth, establishing them as kinetically favored intermediates. In parallel, we obtained the highest-resolution structure of A- and B- lattices to date at 2.5 Å and 2.7 Å, respectively. Complementary experiments further suggested End Binding protein 1 as a regulator that suppresses both protofilament number variability and non-canonical geometries, thereby maintaining network fidelity. Overall, this work uncovered new forms of microtubule heterogeneity, emphasized their structural relationships and kinetic origins, and linked them to regulation by the MT environment, forcing a reconsideration of current models of dynamic instability and related biological processes. Electronic Thesis or DissertationText en application/pdf1 : 65540 Kohttps://ged.univ-rennes1.fr/nuxeo/site/esupversions/149eaaa1-784d-4f6c-8f6d-c3de83b15a29 Bousquet Clément 1998-08-14 FR 293168210 clement.bousquet6@gmail.com 2025URENB037 http://www.theses.fr/2025URENB037 2025-11-21 Biologie moléculaire et structurale, biochimie Université de Rennesthesis.degree.grantor_1 26693823X Doctorat non ouiChrétienDenisintervenant_1130631876GiudiceEmmanuelintervenant_2089432509BouvraisHélèneintervenant_5155938479Aradilla ZapataLauraintervenant_6283816996CarstenJankeintervenant_3142521981FronzesRémiintervenant_4085767417 SVSecoleDoctorale_1 264825152 IGDR partenaireRecherche_1 178579254 ddc:570 ChrétienDenisGiudiceEmmanuelCarstenJankeFronzesRémiBouvraisHélèneAradilla ZapataLauraUniversité de RennesSVS IGDR ASCII PDF 67113279