Stabilisation des microtubules par des MIPs (Microtubule Inner Proteins) neuronales : rôles du motif Mn universel de liaison aux microtubules // Microtubule stabilization by neuronal Microtubule Inner Proteins (MIPs): roles of the universal microtubule-b

La stabilité des microtubules est essentielle à l'architecture et aux fonctions des neurones. Les protéines situées à l'intérieur des microtubules, appelées MIPs (Microtubule Inner Proteins), contribuent très certainement à cette stabilité, par analogie avec l'extrême stabilité des microtubules des cils et flagelles contrôlée par des MIPs. Bien que la présence de MIPs à l'intérieur des microtubules neuronaux ait été établie depuis longtemps, leur identité restait inconnue jusqu'à ce que nous identifiions MAP6 comme la première MIP neuronale (Cuveillier, Delaroche, Seggio et al., 2020). MAP6 se lie aux microtubules via plusieurs copies d'un motif, appelé motif Mn, récemment apparu comme une signature structurale conservée au cours de l'évolution, et cruciale pour la liaison de plusieurs MIPs à la surface interne des microtubules ciliaires et flagellaires. Le nombre et la répartition des motifs Mn varient au sein de cette famille de protéines, mais la signification fonctionnelle de cette diversité reste à élucider. À ce jour, seules deux protéines contenant des motifs Mn ont été identifiées dans les neurones : MAP6 et son paralogue MAP6d1, qui présentent un nombre et un agencement distincts de motifs Mn. Nos travaux récents montrent que MAP6 et MAP6d1 se comportent toutes deux comme des MIPs, mais stabilisent et organisent les microtubules de manière différente : MAP6 induit des microtubules hélicoïdaux (Cuveillier, Delaroche, Seggio et al., 2020), alors que MAP6d1 favorise l'assemblage de doublets de microtubules stables en recrutant de la tubuline sur la paroi des microtubules (Gopal, Wu et al., 2025).
L'objectif principal de cette thèse est de comprendre comment l'organisation des motifs Mn dans MAP6 et MAP6d1 gouverne leur mode de liaison à l'intérieur des microtubules et conduit à des fonctions et architectures de microtubules distinctes. En utilisant des techniques avancées de cryo-microscopie électronique (cryo-EM), nous comparerons les structures à haute résolution de microtubules en interaction avec MAP6 et MAP6d1. Pour évaluer la contribution de chaque motif Mn à l'activité de MAP6 et MAP6d1, nous générerons une série de mutants — dépourvus d'un ou plusieurs motifs Mn ou contenant plusieurs copies d'un même motif — et évaluerons i/ leur mode de liaison aux microtubules par cryo-EM et ii/ leurs effets sur l'assemblage et la stabilité des microtubules grâce à approches en systèmes biomimétiques. En parallèle, nous poursuivrons l'identification et la caractérisation de nouvelles MIPs neuronales contenant des motifs Mn. L'ensemble des résultats devrait permettre de déchiffrer les mécanismes moléculaires stabilisant les microtubules neuronaux via leur face luminale et d'élucider le rôle du motif universel Mn dans ces processus.
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In neurons, stable microtubules (MTs) are essential for neuronal architecture and functions. Proteins located in the MT lumen, known as MT Inner Proteins (MIPs), are thought to contribute to neuronal MT stability, by analogy with the MIPs that ensure the extreme stability of MT doublets in cilia and flagella, which must withstand high-frequency beating. Although the presence of MIPs inside neuronal MTs has long been established, particularly through electron microscopy, their identities were unknown until we identified MAP6 as the first neuronal MIP (Cuveillier, Delaroche, Seggio et al, 2020). MAP6 binds MTs via several copies of the Mn motif, a recently recognized evolutionarily conserved signature that is crucial for the MT luminal binding of several MIPs in cilia/flagella. The number and distribution of Mn motifs vary within this protein family, but the functional significance of this diversity remains unclear. To date, only two Mn-containing proteins have been identified in neurons: MAP6 and its paralogue MAP6d1, which exhibit distinct numbers and arrangements of Mn-motifs. Our recent findings demonstrate that both MAP6 and MAP6d1 behave as MIPs, but stabilize and organize MTs in different ways: MAP6 induces helical MTs (Cuveillier, Delaroche, Seggio et al, 2020) whereas MAP6d1 promotes the assembly of stable MT doublets by recruiting tubulin to the MT lattice (Gopal, Wu et al, 2025).
The main objective of the PhD thesis is to understand how the arrangement of Mn motif in MAP6 and MAP6d1 governs their luminal binding mode and leads to distinct MT-regulatory functions and architecture. Using advanced cryo-EM techniques, we will compare the high-resolution structures of MTs interacting with MAP6 and MAP6d1. To evaluate the contribution of each Mn motif to MT binding and regulatory functions, we will generate a series of MAP6/MAPd1 mutants—lacking one or more Mn motifs or containing multiple copies of the same motif—and analyze them combining TIRF-based cell-free reconstitutions and cryo-EM. In parallel, we will pursue the identification and characterization of new neuronal MIPs containing Mn motifs. Overall the results should help decipher the molecular mechanisms stabilizing neuronal MTs from the luminal side and elucidate the role of the universal Mn motif in these processes.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Autre financement

Université Grenoble Alpes

218 CSV- Chimie et Sciences du Vivant

Nous recherchons un(e) étudiant(e) motivé(e), ayant de solides connaissances en biochimie et un intérêt marqué pour les mécanismes moléculaires et la biologie structurale.
We are seeking a highly motivated student with a solid background in biochemistry, and interested in molecular mechanisms and structural biology.