Theoretical analysis of forces generated by mitotic spindle

Chaque cellule vivante qui se divise doit accomplir un exploit d'ingénierie de précision : elle doit diviser son matériel génétique en deux ensembles identiques et les tirer vers les extrémités opposées de la cellule. Ce processus, connu sous le nom de mitose, repose sur une structure temporaire appelée fuseau, une machine microscopique composée de fibres protéiques qui servent à la fois de squelette et de moteur. Au sein de cette machine, de minuscules moteurs moléculaires marchent le long de ces fibres, générant la tension nécessaire pour aligner les chromosomes au centre de la cellule et la force puissante requise pour les arracher plus tard. Les scientifiques ont depuis longtemps été capables de mesurer la force que ces fibres exercent pour maintenir les chromosomes en place pendant la phase d'alignement, mais une divergence déconcertante est apparue lorsqu'ils ont examiné l'étape suivante. Lorsque les chercheurs ont tenté d'arrêter le mouvement d'un chromosome pendant la phase de séparation, ils ont constaté qu'il fallait une force des centaines de fois plus forte que celle nécessaire pour simplement le maintenir immobile plus tôt. Cette différence massive a laissé les biologistes perplexes quant à la raison pour laquelle la machine semble générer une puissance aussi énorme pour être arrêtée, et d'où provient cette puissance.

Une nouvelle étude théorique de Ping Xie, de l'Académie chinoise des sciences, offre une explication claire à ce mystère en modélisant la façon dont le fuseau génère de la force. La recherche suggère que le fuseau ne change pas son moteur fondamental entre les étapes d'alignement et de séparation ; plutôt, la différence dans la force requise pour arrêter un chromosome en mouvement est le résultat direct de la vitesse à laquelle ce chromosome tente de se déplacer. Dans l'étape précédente, lorsque les chromosomes s'alignent, les fibres sont sous tension, mais le mouvement est relativement lent. Dans l'étape ultérieure, lorsque les chromosomes sont tirés vers l'extérieur, les fibres se dépolymérisent à leurs extrémités, poussant les chromosomes vers les pôles à une vitesse beaucoup plus élevée. L'étude propose que la force nécessaire pour arrêter un chromosome ne dépend pas seulement de la force des fibres, mais de la vitesse à laquelle elles tentent d'éloigner le chromosome. Pour arrêter un objet rapide, il faut une force nettement plus grande que pour arrêter un objet lent, même si le moteur qui les conduit est le même.

L'article se concentre sur les données de spermatocytes de sauterelle, un modèle classique pour l'étude de la division cellulaire. Dans ces cellules, les chercheurs ont précédemment mesuré qu'il faut environ 7 piconewtons de force pour maintenir une seule fibre en place pendant la phase d'alignement. Cependant, lorsqu'ils ont tenté d'arrêter un chromosome entier en mouvement pendant la phase de séparation, ils ont constaté qu'ils avaient besoin d'un colossal 700 piconewtons. Étant donné qu'un chromosome unique est attaché à environ 15 fibres, cela implique que chaque fibre génère environ 50 piconewtons de force pendant la séparation, ce qui est bien plus élevé que les 7 piconewtons observés précédemment. Le modèle de Xie explique cela en calculant que la vitesse à laquelle les chromosomes non manipulés s'éloignent du centre pendant la séparation est bien plus rapide que la vitesse de mouvement des fibres pendant l'alignement. Parce que les fibres tentent de tirer le chromosome avec une telle rapidité, la force nécessaire pour contrer ce mouvement et le ramener à l'arrêt est naturellement beaucoup plus grande. Le modèle montre que si la force de traction sur chaque fibre pendant l'alignement est d'environ 7,87 piconewtons, le calcul prédit parfaitement les 700 piconewtons de force de blocage observés lors des expériences.

L'étude aborde également la raison pour laquelle d'autres expériences ont rapporté des forces beaucoup plus faibles pour arrêter les chromosomes. Dans ces cas, les chercheurs utilisaient des faisceaux laser pour maintenir les chromosomes. Le nouveau modèle suggère que la lumière laser elle-même peut avoir endommagé ou détaché les moteurs moléculaires responsables de la traction des fibres, ralentissant ainsi efficacement le chromosome. Si le chromosome se déplace plus lentement parce que les moteurs sont altérés, alors il faut beaucoup moins de force pour l'arrêter. Cela explique la divergence sans avoir besoin de supposer que la cellule possède deux moteurs différents pour l'alignement et la séparation. Au lieu de cela, la cellule utilise un mécanisme constant, mais la vitesse du processus dicte la force requise pour l'arrêter.

De plus, la recherche fait une prédiction spécifique sur ce qui se passerait si les scientifiques tentaient d'arrêter tous les chromosomes de la cellule en même temps, plutôt qu'un seul. Le modèle suggère que la force totale requise pour arrêter tous les chromosomes simultanément serait environ quatre fois supérieure à la force nécessaire pour en arrêter un seul. Inversement, la force nécessaire pour arrêter chaque chromosome individuel dans ce groupe total ne serait que d'environ 17 % de la force nécessaire pour arrêter un chromosome isolé. Ce résultat contre-intuitif découle du fait que les fibres sont interconnectées ; arrêter une partie du système modifie la dynamique du reste. L'auteur espère que de futures expériences pourront tester cette prédiction, ce qui confirmerait que le fuseau fonctionne comme une machine unifiée et autorégulée où la force générée est intimement liée à la vitesse de mouvement.

Ce travail fournit une vision unifiée de la manière dont les cellules gèrent les forces immenses de la division. Il résout l'énigme de la raison pour laquelle la force de blocage est si élevée en montrant qu'elle est une conséquence naturelle de la vitesse élevée de la séparation, plutôt qu'une augmentation soudaine de la force des moteurs moléculaires. Le fuseau n'a pas besoin de changer de vitesse ou de moteur ; il répond simplement à la vitesse du processus. En comprenant que la force requise pour arrêter une pièce en mouvement est déterminée par la vitesse à laquelle cette pièce se déplace, les scientifiques peuvent mieux comprendre la mécanique de la vie à son niveau le plus fondamental. L'étude confirme que le fuseau est un système robuste où les forces sont équilibrées par les vélocités des composants, garantissant que les chromosomes sont séparés avec la précision et la puissance nécessaires à la poursuite de la vie.