Cytosquelette - Notes de cours 4 PDF

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Cours 4 Biologie Cellulaire PACES Pr. Lemarchand...

Description

Cytosquelette Cytosquelette = armature de la cellule Organisation dynamique de polymères protéiques filamenteux associés à d’autres protéines 3 types de polymères : microfilaments (d’actine), microtubules filaments intermédiaires

Répartition dans la cellule

- Répartition différente en fonction du type de filaments - 2 types de monomères • Protéines globulaires (sphères) - Microfilaments - Microtubules • Protéines fibreuses (allongées) - Filaments intermédiaires - Et des protéines associées intervenant dans l’organisation et les fonctions du -

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cytosquelette Le cytosquelette est présent partout • Périphérie cellulaire (sous membranaire) • Cytosol (lieu de synthèse) • Noyau (famille spécifique) Le cytosquelette est en remaniement permanent • Modifications métaboliques Coexistence de 3 états • Monomères libres - polymères instables - polymères stables • Echanges avec fréquences différentes : chaque constituant a son propre rythme de renouvellement Résistance des structures du cytosquelette • Filaments intermédiaires résistant mieux aux cisaillements • Ensuite microfilaments puis microtubules Fonctions du cytosquelette • Squelette cellulaire - Trame résistante des cellules et tissus

• Musculature cellulaire - Déplacement des cellules - Contraction • Transport intracellulaire - Mouvement des chromosomes (au moment de la mitose) - Migration des molécules, organites • Activité génomique et métabolique (autour de la chromatine attachée aux filament de lamine par ex)

Filaments intermédiaires - Définition • Protéines fibreuses ou filamenteuses insolubles - Répartition • Présents dans la plupart des cellules - Cytosol - Réseaux fibreux rigides • Sous membranaire (lié aux desmosomes & hémidesmosomes) • Périnucléaire • Entre le noyau et la membrane - Noyau • Réseau fibreux nucléoplasmique • Dans les neurones FI —> armature des axones - Structure • Monomère fibreux en 3 domaines • Polymérisation (2 étapes) - 2 monomères de même orientation —> dimère torsadée (interaction

hydrophobe avec les hélices) - 2 dimères d’orientation opposée —> tétramère - Plusieurs tétramères bout à bout —> protofilament - L’association de plusieurs protofilaments donne un filament intermédiaire • Arrangement hélicoïdal en corde • Pas de polarité du

filament, dynamique restreinte (peu de changement, stable) - Types de filaments • 4 catégories selon les types de cellules

• Associations en homodimères ou hétérodimères qui donne lieu à des isoformes • Important en médecine pour déterminer le cancer original en fonction du type de

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cytokératine dans les cellules métastasées Protéines associées • Protéines favorisant la réticulation (la mise en place du filament intermédiaire) • Composant des desmosomes et hémidesmosomes - Cadhérines transmembranaires pour les desmosomes - Intégrines transmembranaires pour les hémidesmosomes Protéines associées formant une plaque dense Filaments intermédiaires • Lien mécanique entre cellules voisines ou avec la matrice extracellulaire Rôle des filaments intermédiaires • Rôle structural important • Rôle particulier des lamines (au noyau fixation de la chromatine) • Stabilité mécanique des cellules : résistance à la déformation et l’étirement • Cohésion des tissus • Résistance mécanique à l’épiderme (couche la plus superficielle = cellules mortes encore liées grâce aux desmosomes) • Conditionne en partie le calibre des neurones (axones) Filaments intermédiaires • Filaments stables, les plus résistants et les plus durables du cytosquelette… et les plus particuliers (spécificité du type cellulaire)

Microtubules - Caractéristique • Fibre creuse cylindrique de petit diamètre (supérieur à celui des FI), relativement longue - Structure • Monomère : protéine globulaire tubuline alpha et beta • Polymérisation : plusieurs étapes - Formation hétérodimère alphabeta - Alignement des hétérodimères de même orientation —> protofilament - 13 protofilaments côte à côte avec décalage —> 1 microtubule avec un aspect d’hélice - Distribution • Très large dans les cellules • Deux ensembles de microtubules - Isolés de grande taille • origine centre cellulaire vers périphérie • Remaniement dynamique (polymérisation et dépolymérisation constante) - Associés, plus court • Armature des : - Centriole - Cils - Flagelles • Structures stables - Mécanismes de polymérisation-dépolymérisation

• Nécessite Mg2+ et GTP • Polymérisation des hétérodimères alphabeta avec GTP fixés (GDP ne peut pas se

fixer) • Hydrolyse du GTP en GDP —> filament de tubuline GDP • Précède la dépolymérisation (celle-ci n’est pas obligatoire) • Vitesse des deux phénomènes à chaque extrémité est différente —> allongement et rétrécissement

Polarité des microtubules - Protéines associées aux microtubules (MAP) • MAP structurales : MAP-1, MAP-2, MAP-4 et protéine Tau (maladie d’Alzheimer) stabilisent les microtubules par association latérale possibilité d’association de microtubules • MAP motrices : permettent les mouvements - Utilisent l’hydrolyse de l’ATP pour se déplacer le long du filament - Types multiples en fonction du filament, de la direction, et le type de “cargo” qu’elles transportent - Les 2 familles principales de MAP motrices • Kinésines (vers +) • Dynéines (vers -) • Formées d’une ou 2 têtes globulaires, qui portent l’activité ATPase, liaison avec les vésicules à transporter - Principe général des mouvements • Déplacement : microtubules support • Flexion : microtubules reliées à un élément fixe • Elongation : microtubules non fixés

Centrosome - Structure • Centriole : fragment court de microtubules formant un cylindre (disposition particulière, protéines associées) 2 centrioles perpendiculaires • Matrice : MAP matériau péri-centriolaire • Anneaux de tubuline gamma = site de départ des microtubules - Rôles • Centre “organisateur” cellulaire : point de départ des microtubules • Polarité des fonctions cellulaires - Transport vers la périphérie ou exocytose par les kinésines - Transport depuis la périphérie ou endocytose par les dynéines - Transport des organites

Cils et flagelles - Structure • Partie cil - Enveloppé par la membrane - Doublets de microtubules périphériques - 1 paire de microtubules centraux - Nombreuses protéines associées : • dynéine, nexine • Manchon de protéines, bras • Partie corpuscule basal • Structure identique au centriole - Rôle • Mouvements • Déplacements cellulaires

Rôle des microtubules - Polarité des fonctions cellulaires • Organisent le transport au sein de la cellule - Motilité des cellules (cils, flagelles) - Motilité des particules dans les cellules • Ribosomes, vésicules, organites (mitochondries,…) - Déplacement des chromosomes • Formation du fuseau mitotique - Transport orienté des ARNm

Microtubules - Microtubules solitaires = autoroute de transport - Microtubules associés permettent les déplacements des cellules ou du milieu par rapport à la cellule

- Centrioles ?

Microfilaments d’actine - Caractères • Filaments extrêmement répandus (actine présente dans toutes les cellules) • Filaments très fins, flexibles • Abondants • Groupés - En faisceaux (parallèles les uns par rapport aux autres) - En réseaux (se croisent) - Répartition • Structures plus ou moins permanentes - Microvillosités - Faisceaux contractiles • Structures temporaires - Anneau contractile - Filipodes - Structure • 2 formes d’actine (monomérique ou polymérique) • Toujours associée à ATP ou ADP • Monomère - Classes d’actine • Alpha dans les muscles • Beta dans les autres cellules • Actine G (globulaire) = monomère • Actine F (fibrillaire) = polymère • Polymère - Association hélicoïdale double (pas très longue) - Polarité du système • Extrémité + : polymérisation rapide • Extrémité - : dépolymérisation ou polymérisation lente - Mécanisme ATP dépendant • Polymérisation uniquement si ATP lié • Dépolymérisation si hydrolyse préalable en ADP - Protéines associées

Complexes organisés microfilaments/ protéines - Cortex cellulaire • Organisation - Région sous-membranaire autour du réseau de microfilaments - Réseau à orientation radiaire • Rôles - Mouvements d’expansion, de contraction de la cellule - Mouvements membranaires pour endocytose et exocytose - Déplacement orienté des cellules sur un support • Mécanisme d’expansion (cf diapo) • Mécanisme d’exocytose (idem)

• Déplacement cellulaire (idem) - Flux d’actine se fait sur les microtubules - Appareils contractiles des cellules • Fait intervenir les myosines - Cf tableau - La myosine de type I est un monomère servant au déplacement des vésicules - La myosine de type II est un dimère servant a établir un glissement sur les filaments d’actine

• Déplacement des vésicules - Par les molécules de myosine (sur les filament d’actine) - Par les molécules de dynéine et kinésine (microtubules) - Interactions encore mal identifiées • Interactions microtubules - RE - Réseau très élaboré de microtubules alignés sur les canalicules du réticulum endoplasmique - Appareil contractile des cellules non-musculaires • Anneau contractile - Organisation de microfilaments d’actine + myosine II - contact au niveau membranaire • Rôle - Permet la séparation des cytoplasmes lors de la division cellulaire (cytodiérèse) - Septines • Caractéristiques : - Protéines à GTP formant des filaments ou des anneaux • Rôles : - Cycle cellulaire : anneau de séparation (empêche les échanges lors de la mitose) - Membrane plasmique : maintien de protéines entre elles, rigidité - Barrière de diffusion entre 2 compartiments (ex séparation cil/cellule) - Appareil contractile des cellules musculaires • Cellule musculaire - La cellule musculaire squelettique est une énorme cellule multinucléée, résultant de la fusion de nombreux précurseurs - Le cytoplasme contient des myofibrilles, chacune constituée d’une longue chaine de sarcomères - La contraction musculaire dépend d’un glissement des filaments de myosine II et des filaments d’actine

• Organisation du sarcomère - Organisation • Unité contractile = sarcomère, structure symétrique limitée par disques Z • Associations bipolaires de myosine II soudées entre elles au niveau de la ligne M et liés au disque Z (titine) • Microfilaments d’actine liés au disque Z • Protéines associées

- Fonctionnement

général • Raccourcissement = contraction • Retour à l’état initial

- Aspect moléculaire de la contraction • Ca2+ indispensable - Provient du réticulum endoplasmique - Provoque la libération de tropomyosine et troponine présentes pour stabiliser les microfilaments d’actine pendant la phase de repos • Cycle d’échange - ADP/ATP couplé avec activité ATPase de la tête de myosine, détermine interaction avec actine et transconformation - —> déplacement de la tête qui fait glisser les microfilaments d’actine

- Interactions cytosquelette - membrane plasmique • 4 aspects - Cellules isolées - Jonctions intercellulaires - Interactions avec la lame basale

- Interaction avec la matrice extracellulaire

- Cellules isolées - Jonctions cellulaires • Jonctions serrées • Jonctions d’ancrage entre les cellules - Sites d’attachement des filaments d’actine • Jonctions cellule-cellule (jonction intermédiaire) • Jonctions cellule-matrice (adhésion focale) - Sites d’attachement des filaments intermédiaires • Jonctions cellule-cellule (desmosomes) • Jonctions cellules-matrice (hémidesmosomes) - Jonctions communicantes - Jonctions intercellulaires

• Composants des jonctions serrées et intermédiaires (diffèrent par l’élément transmembranaire) - Protéine transmembranaire spécifique : occludine - Cadhérines transmembranaires • Protéines associées formant une plaque dense

• Microfilaments d’actine - Interactions avec la lame basale • Cas particulier des muscles, interaction au niveau du sarcolemme • Protéine spécifique : dystrophine. Dimère inversé - Côté N-terminal interaction avec les protéines membranaires - Côté C-terminal interaction avec les protéines membranaires (dystroglycan alpha et beta), en liaison avec la laminaire de la lame basale

- Interactions avec la matrice extracellulaire • Contacts focaux = éléments de la dynamique cellulaire • Implique les intégrines : protéines d’adhérence • Protéines spécifiques d’association : taline, vinculine, alpha actinine

• Intervention des petites protéines G —> signalisation • Organisation en faisceaux différents de l’actine

Pathologies associées aux anomalies du cytosquelette Atteintes du cytosquelette - Maladies génétiques : mutations • Myopathie de Duchenne - Maladie génétique récessive liée à l’X (gène de la dystrophine) - Évolution inéluctable : destruction des muscles - Cause : • 65% délétion plus ou moins grande du gène (manque un morceau) • 35% mutation (—> codon stop ou décalage) • Syndrome de Wiskott-Aldrich : immunodéficience sévère - Lymphocyte normal : stimulus —> signal qui agit sur la polymérisation de l’actine pour former des filipodes (mouvement)

- Intermédiaire : protéine Was (liaison actine-membrane) - Mutation de Was : plus de polymérisation de l’actine en réponse au stimulus —>

pas de déplacement des lymphocytes • Anémies hémolytiques - Modification de la déformation des hématies : fragilité - Mutation spectrale et/ou ankyrine • Syndrome de Kartagener - Paralysie des cils - Atteinte respiratoire, atteinte rénale, stérilité, situs inversus (inversion des organes • Epidermolyse bulleuse - Mutation de cytokératine —> fragilité des filaments intermédiaires et des hémidesmosomes - Frottement cutané : cassure des filaments et formation de bulles - Maladies acquises • Sclérose latérale amyotrophique : mort des neurones moteurs - Touche vers 50 ans - Accumulation des neurofilaments dans le corps cellulaire sans migration vers axone de diamètre réduit —> troubles de conduction - Anomalie du transport des filaments • Maladie d’Alzheimer - Hyperphosphorylation de la protéine tau (MAP) —> anomalies de l’organisation des microtubules des neurones - Maladies infectieuses • Origine virale - Virus d’Epstein Barr (EBV) : mononucléose infectieuse • Infecte les lymphocytes • Synthèse d’une protéine qui dépolymérise les filaments intermédiaires (peutêtre à l’origine de la transformation maligne possible) - Papilloma virus • Infecte les cellules épithéliales • Synthèse d’une protéine qui altère l’organisation des filaments intermédiaires - Virus de la vaccine • Bourgeonnement dans le Golgi pour former des particules virales qui s’accompagne de la polymérisation d’une queue d’actine • Origine bactérienne - Bactéries intracellulaires : Listeria, Shigella, Ricketsia • Multiplication dans le cytosol • Membrane bactérienne porte des protéines spécifiques qui interagissent avec l’actine • —> polymérisation d’une queue d’actine qui permet le déplacement des bactéries et la formation de protubérances membranaires

- Rôle des septines : forment des anneaux diminuant a mise en place des queues d’actine

Toxines et médicaments - Toxines

• Cytochalasines : toxines de champignons (moisissures) - Fixation sur extérieur des filaments d’actine : arrêt de la polymérisation • Phaloïdines : toxines - Médicaments • Anticancéreux (2 types) - Vinblastine & vincristine : inhibiteurs de la polymérisation des microtubules labiles (agrégation des tubulaires libres) —> blocage de la division cellulaire - Taxol : inhibiteurs de la dépolymérisation des microtubules —> blocage de la division cellulaire • Antigoutteux : colchicine - Même action que vinblastine • Diminution de la multiplication cellulaire • Diminution de la polarité et des mouvements des fibroblastes et macrophages

Autres applications médicales - Protéines du cytosquelette = marqueurs • Marqueurs histologiques - Tapage des tumeurs en ana-path avec anticorps • Présence de kératine : origine épithéliale • Présence de dessine et/ou vimentine : origine non épithéliale • Présence de GFAP : origine astrocytaire - Recherche de cellules cancéreuses métastatiques circulantes • Marqueurs sériques - Lyse cellulaire : repartage de molécules intracellulaires - Infarctus du myocarde (ischémie avec nécrose du tissu musculaire cardiaque) — > passage dans le sang de molécules spécifiques : troponine...