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Cours de Paces du professeur Montier....

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Le Cytosquelette I- Généralités : A- Les constituants du cytosquelette : Le cytosquelette est formé d’un ensemble de polymères fibreux (ou filamenteux) de monomères protéiques auxquels sont associées d’autres protéines. On distingue 3 types de polymères fibreux selon leur aspect en m que (ils sont invisibles en microscopie photonique) : -

. Les microfilaments d’actine (), dont le diamètre varie d’actine ; Le filaments intermédiaires () ont un diamètre « intermédiaire » allant constituées par des monomères fibreux variant selon le type cellulaire ; Le microtubules () qui sont des tubes creux de diamètre compris entre constitués de tubulines.

, sont

2 Types de monomères protéiques sont à la base des polymères : - Les monomères globulaires sont l’actine pour les microfilaments et la tubuline pour les microtubules ; - Alors que les monomères fibreux (protéines fibreuses) concernent des filaments intermédiaires. De nombreuse protéines « associées » interagissent avec le cytosquelette : - Avec le monomères (et agissant donc sur le processus de polymérisation) ; - Ou avec les polymères pour la stabilisation, l’association, la dégradation, les phénomènes moteurs, les interactions avec la membrane.

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B- Localisation cellulaire du cytosquelette : Globalement, le cytosquelette est réparti dans divers endroits de la cellule, dans le cytosol (qui est son site de biosynthèse), et en particulier sous la membrane plasmique où il forme le « cortex cellulaire ». On en trouve aussi au niveau des microvillosités, des cils, des flagelles (expansions de la cellule), des jonctions inter-cellulaires et dans les sites d’interaction avec la matrice extra-cellulaire (donc au niveau de la jonction cellule/MEC). Dans le nucléoplasme, on trouve des filaments intermédiaires de type lamines. Chacun des types de filaments a une localisation particulière : - Les microfilaments d’actine se trouvent surtout au niveau du cortex cellulaire (ils ont un rôle important dans la migration cellulaire) et participent aux jonctions adhérentes inter-cellulaires et des plaques d’adhérence. Ce sont aussi les constituants du cytosquelette des microvillosités. L’actine, associée à la myosine, forme des structures contractiles ; -

Les filaments intermédiaires traversent le cytoplasme et donnent la résistance mécanique à la cellule. Elles sont en relation avec les jonctions de type desmosomes et hémidesmosomes, et dans le noyau, les lamines forment un réseau sous la membrane nucléaire au niveau du feuillet interne ;

-

Les microtubules sont plutôt longs et rectilignes. Une de leurs extrémités est rattachée à un centre organiseur () appelé le centrosome. Ils forment le cytosquelette des centrioles (2 centrioles forment un centrosome), des cils et des flagelles.

C- Aspect dynamique du cytosquelette : Le terme de cytosquelette est impropre car ces structures sont sujettes à des remaniements permanents de leurs constituants qui existent donc sous 3 états : - Monomères libres ; - Polymères instables où le processus de polymérisation ou de dépolymérisation est en action ; - Polymères stabilisés par des interactions avec des protéines associées. Le cytosquelette sous-tend de nombreux phénomènes dynamiques. Certes les polymères stables constituent un « squelette » cellulaire qui donne à la cellule sa forme, ses expansions, des organites et son noyau, mais il s’agit aussi de la « musculature » (pas seulement « os ») de la cellule car il est impliqué dans plusieurs phénomènes dynamiques comme : - Les mouvements de la cellule (motilité cellulaire) ; - Les mouvements des organites à l’intérieur de la cellule ( motrices pour  et myosine  pour) ; - Les structures contractiles (par l’actine et la myosine) ; - Le cytosquelette connaît des remaniements importants lors de la mitose.

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II- Les filaments intermédiaires : A- Les  sont des polymères de protéines fibreuses : Les protéiq extré

res sont de polymères de monomères f rte un domaine central structuré en terminales avec des sites de phosphorylation

n de ces monomères ydrophobe et des -glycosylation .

Les étapes de la polymérisation sont : - Assemblage par l domaine central de  monomères selon la même orientation (polarisés), d’où de dimères super-enroulés torsadés) ; - Association (avec un décalage) de  dimères d’orientation opposée, ce qui donne des tétramères à extrémités équivalentes, sans « polarité » apolaires, contrairement aux microfilame otubules où les extrémités sont différentes qui sont donc « polarisées », ce qui perm nt) ; ment pa association bout-à-bout des tétramères (en file) ; - Formation d - Associatio protofilament pour constituer un filament intermédiaire de forme cylindrique dont la coupe transversale comporte donc  monomères ( dimères). Ces structures apolaires (avec des extrémités équivalentes) sont plus durables mais moins dynamiques que les microtubules et les microfilaments. Cette polarité du  est due au fait qu’il possède deux extrémités identiques. Il possède donc une dynamique restreinte et donc un renouvellement lent.

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B- Les  sont spécifiques du type cellulaire : Les filaments intermédiaires sont spécifiques d’un type cellulaire donné, on compte 4 familles de protéines formant la superfamille des filaments intermédiaires : - Le cytokératines ; - La vimentine et ses protéines apparentées comme la desmine et la  (protéines très voisines de la vimentine, Glial Fibrillary Acidic Protein) ; - Le neurofilaments ; - Le lamines. Protéines

Spécificité cellulaire

Cytok ératine Vimentine :

Cellules épithéliales

Desmine  Neurofilaments Lamines

Cellules d’origine mésoblastique (fibroblastes, leucocytes, cellules mésothéliales) Cellules musculaires Cellules gliales (astrocytes) Neurones (, ) Toutes les cellules eucaryotes (dans le noyau)

Trois de ces quatre familles sont spécifiques de types cellulaires différenciées, et ensuite vient la classe des lamines qui elle est présente dans le noyau de toutes les cellules eucaryotes. Ces lamines forment un réseau sous la face interne de la membrane nucléaire (formant la lamina nuclearis), ce qui en fait l’intermédiaire (l’interface) entre la chromatine et l’enveloppe nucléaire. Lors de la mitose, il y phosphorylation de ces lamines qui entraîne le désassemblage des filaments. S’ensuit une désorganisation du noyau avec fragmentation de la membrane nucléaire (à la fin de la mitose, les lamines sont déphosphorylées et réassemblées). Lamine nucléaire : - Treillis de  faits de lamines ; - Doublant face interne de la membrane nucléaire ; - Servant d’intermédiaire entre membrane nucléaire et chromatine hétérochromatine, périphérique, condensée, dense aux électrons en  et peu active euchromatine centrale, décondensée, claire aux électrons en  et active.

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Par conséquen cellules eucaryotes comportent au moins 2 classes de filaments intermédiaires lam une spécialisée ), l’une étant celle des lamines. La spécificité de ces filaments peut être utilisée pour définir la nature des cellules tumorales en complément des colorations histologiques conventionnelles. On utilise des anticorps spécifiques des divers types de filaments int o-cytochimie en microscopie optique). anti-cytokératines , on sait qu’il s’agit d’une tumeur - Par exemple, s’il s’agit d’u épithéliale ; - Ou si c’est un marquage à , on peut en déduire que la tumeur est d’origine gliale. Cas particulier important : Parfois, le cancer peut être révélé par des métastases (osseuses par exemple) alors que la tumeur primaire est inconnue. Le marquage par des anticorps spécifiques des filaments intermédiaires permet de guider la recherche de la tumeur primitive.

C-  et stabilité mécanique des cellules et des tissus : Les filaments intermédiaires ont des propriétés mécaniques particulières (stabilité mécanique) car ce sont antes du cytosquelette. Ils résistent de structures résistantes (comme des « cordages ») aux forces mécaniques en se déformant alors que le ts et les microtubules atteignent rapidement un point de rupture. De plus, les filaments intermédiaires son en relation types de jonctions d’ancrage qui sont le desmosomes (pour les amarrages entre cellules) et le hémidesmosomes (pour l’ancrage avec la matrice extra-cellulaire). Les filaments intermédiaires sont donc les principaux responsables de la stabilité mécanique des cellules et des tissus car ils sont capables de s’étirer (sans rompre rapidement) et de répartir les forces appliquées localement.

 : Se déforment pour une petite force appliquée.  : Résistent un peu plus mais pas très déformables.  : Se déforment bien et atteignent un point de rupture pour des forces excessives exercées.

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Le rôle mécanique des filaments intermédiaires est illustré par épidermolyse bulleuse qui est une maladie génétique consistant en une mutation des gènes de cytokératines . Cette maladie se traduit par la formation de bulles (ampoules) au niveau de la peau lors du moindre stress mécanique, même lors de simples frottements).

On définit 4 classes de jonctions d’ancrage suivant : - Le type de jonction impliqué : x De cellule à cellule (avec des cadhérines comme protéines transmembranaires) ; x La cellule à matrice extra-cellulaire (avec des intégrines comme protéines transmembranaires) ; - Le type d’élément du cytosquelette impliqué (microfilaments d’actine ou filaments intermédiaires).

Actine () Filaments intermédiaires

Cellule/cellule (cadhérines) Jonctions adhérentes Desmosomes

Cellule/matrice (intégrines) Plaques d’adhérence (contacts focaux) Hémi-desmosomes

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III- Les microtubules: A-  : des polymères de protéines globulaires, les tubulines Ce sont des polymères de protéines globulaires, les tubulines. Monomère  protéine globulaire  tubuline (tube creux). Il existe 3 types de monomères de tubuline : - La forme  - La forme  - La forme  Les formes  et  sont associées dans les microtubules sous forme d’hétéro-dimères alors que la forme  est particulière des centrosomes où elle joue un rôle dans l’initialisation des microtubules. Dans les hétérodimères, la tubuline  est associée à du  alors que la tubuline  est associée soit à du  soit à du . Les hétérodimères /s’alignent (tous orientés dans la même direction) à la queue leu leu pour constituer un proto-filament. 13 Protofilaments s’assemblent en parallèle (avec un décalage) pour former un tube creux de 25nmde diamètre, c’est le microtubule. Le décalage donne une disposition hélicoïdale aux tubulines  et, et l’alignement dans une même direction des hétéro-dimères fait que le microtubule est une structure polaire (il possède 2 bouts distincts permettant une direction possible pour un transport), différent des  qui ne sont pas polarisés.

B- Les  cytosoliques sont des polymères « instables » : Les microtubules sont des structures instables, la demi-vie d’un microtubule cytoplasmique étant d’environ 10 minutes chez des cellules en culture. Dans un tube à essais, la polymérisation ne se fait pas à la même vitesse aux 2 extrémités du microtubule, et on distingue l’extrémité «  » à polymérisation lente de l’extrémité «  » à polymérisation rapide. Cette dernière extrémité est celle présentant la tubuline. La polarité des microtubules dans la cellule est telle que : Plus : Périphérie - L’extrémité « » est toujours située à la périphérie de la cellule ; - L’extrémité « » est située dans la région centrale, proche du noyau (au niveau du centre cellulaire centrosome). L’alternance de polymérisation/dépolymérisation est liée à la fixation et l’hydrolyse du  par la tubuline  (qui est donc une GTPase).

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Chronologiquement, les étapes sont : - Au départ, l’hétéro-dimère présentant la tubuline  fixe du ; - La polymérisation en proto-filament se produit pour assembler le microtubule ; - Il y a hydrolyse du en  par la tubuline. On assiste à un changement de conformation et une déformation d’un proto-filament ; - Ensuite survient une dépolymérisation ; - Puis la tubuline  échange son contre un et le processus se répète.

Des substances utilisées en thérapeutique humaine perturbent le processus de polymérisation/dépolymérisation des microtubules : - La colchicine extraite de la colchique se lie aux hétérodimères libres, rendant la polymérisation impossible, la dépolymérisation des microtubules prend alors le dessus ; - La vinblastine est extraite de la pervenche et a un mode d’action similaire à celui de la colchicine ; - Le taxol est quant à lui extrait de l’if (taxus baccata) se fixe sur les microtubules et Taxol = Toise empêche leur remodelage. La vinblastine et le taxol sont utilisés comme anticancéreux car ils perturbent les microtubules des fuseaux mitotiques et empêchent ainsi la division cellulaire. La colchicine est utilisée pour le traitement de la goutte car elle possède un effet anti-inflammatoire en diminuant la production d’acide urique, produit du catabolisme de l’ADN. Donc, dans les cellules, la concentration en dimères avec tubuline  avec du est faible, d’où une polymérisation impossible à l’extrémité «  » qui est stabilisée au niveau du centrosome de la cellule, ce qui fait que la dynamique des microtubules cytosoliques "solitaires" est limitée à l’activité de leur extrémité «  » périphérique. Le centrosome est aussi appelé (Centre Organisateur des Microtubules). Il est localisé près du noyau de la cellule. Les microtubules cytosoliques solitaires rayonnent à partir du centrosome, il permet l’amorçage de la croissance d’un microtubule dont l’extrémité «  » est donc dirigée vers lui. Ce se compose de 2 centrioles, disposés perpendiculairement l’un à l’autre, entourés par le matériel péricentriolaire. C’est ce matériel péricentriolaire qui a le rôle de, comportant de la tubuline  (aussi appelée  pour  Tubulin Ring Complex) qui sert de sites de nucléation. En effet, l’amorçage des microtubules se fait sur des structures en anneau (composés de tubuline).

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C- MT cytosolique :  et dynamique des extrémités «  » : L’extrémité du microtubule au niveau du, est stabilisée, alors qu’à l’extrémité «  » périphérique des microtubules (solitaires), il y a une dynamique dépendant de la présence ou non d’une coiffe de tubuline  . Si cette coiffe est présente, il y a polymérisation au niveau de l’extrémité «  » du microtubule, donnant un microtubule en croissance (allongement du). Cette coiffe est présente tant que la vitesse d’addition de la tubuline   est supérieure à la vitesse d’hydrolyse du  (et donc quand il y a une concentration locale en tubuline   élevée). A l’inverse, si la concentration en tubuline   est faible, le bout «  » est occupé par la tubuline  , ce qui provoque une dépolymérisation et donc un raccourcissement du microtubule.

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Par conséquent, l’extrémité «  » du microtubule est en perpétuel remaniement entre croissance et raccourcissement. De façon exploratoire, le centrosome sort continuellement des microtubules dans diverses directions et les rétracte (à la manière d’un pêcheur à la ligne).

D- Protéines associées () stabilisatrices des  : Parmi les microtubules existants, certains sont exceptionnellement stables (comme ceux des axones des neurones) grâce à la présence de protéines associées stabilisatrices, les  (Microtubule Assiciated Proteins). Les neurones sont des cellules polarisées, avec d’un côté du corps cellulaire les dendrites, et de l’autre l’axone. Cette polarité est liée à l’organisation des microtubules. L’axone est structuré pas de nombreux microtubules tous orientés dans la même direction avec leur extrémité «  » du côté de la terminaison de l’axone. De par cette organisation, il peut y avoir un transport directionnel le long de l’axone qui peut être : - Antérograde, vers la terminaison de l’axone ; - Rétrograde, vers le corps cellulaire. Ax[o]nale : T[AU] 2 Principaux types de  stabilisatrices existent dans le neurone : - Les protéines, exclusivement axonales, qui permet l’association des microtubules en faisceaux (anormalement phosphorylées dans la maladie d’Alzheimer) ; - Les protéines, de la famille des protéines  (High Molecular Weight) localisées dans le corps cellulaire et les dendrites.

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E-  motrices et transport intracellulaire : Il existe d’autres protéines associées dont le rôle n’est pas de stabiliser les microtubules, mais de transporter du matériel cellulaire. Ce sont les  motrices, des ATPases permettant le mouvement des molécules, vésicules et organites (comme les mitochondries) le long des microtubules. Il existe 2 familles de moteurs moléculaires protéiques associées aux microtubules, les kinésines et les dynéines. Il s’agit d’hétéro-polymères (2 chaînes lourdes plus d’autres chaînes) à 3 domaines : - 2 têtes globuleuses identiques, se fixant sur les microtubules et possédant une activité ATPasiques. Ce sont les domaines moteurs situés sur l’extrémité  terminale des chaînes lourdes ; - Reliée par une tige qui relie les 2 têtes (plus ou moins longue) ; - A une base (la queue) où se fixe le matériel à transporter, ce matériel peut être des protéines cytosoliques ou membranaires de vésicules ou des organites. Les différentes kinésines et dynéines semblent spécifiques du matériel à transporter.

Les  motrices sont responsables d’un transport orienté, en effet, les kinésines permettent d’aller vers l’extrémité « + » périphérique (transport antérograde dans le neurone), alors que les dynéines transportent vers l’extrémité «  » centre cellulaire (transport rétrograde). Le domaine moteur de la kinésine est structurellement similaire à celui de la myosine, protéine motrice associée à l’actine (les2vont vers les bouts «  »).

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L’activité ATPasique des têtes fournit l’énergie pour une série de modifications de leur conformation selon un cycle : liaison, détachement et reliaison au microtubule. Le mécanisme du mouvement de la kinésine se compose de plusieurs étapes : - Au départ, la tête1, liée à de l’ATP, est fixée au microtubule, tandis que la tête2, portant de l’ADP, est détachée (en l’air) ; - Il y a ensuite fixation d’ATP sur la tête2, ce qui entraîne une rotation de la molécule. - L’hydrolyse de l’ATP donne de l’ADP sur la tête1, ce qui libère la tête 1 et fixe la tête 2; - On se retrouve dans la même position qu’au début car les 2 têtes sont identiques. Au total, le saut d’une sous-unité de tubuline  à une autre sur le même proto-filament consomme 1 ATP et permet un déplacement de8nm.

F- Structure stable de  : centrioles, cils et flagelles Dans les cellules, il existe des structures organisées de microtubules stables caractérisées par une symétrie axiale de type9. Les microtubules forment en effet l’armature stable des centrioles (du centrosome), des cils et des flagelles (les cils étant courts alors que les flagelles sont plus longs et mobilisés par des dynéines). Ces structures stables de microtubules sont à...