Le-cytosquelette- Cours PDF

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professeur de la faculté des sciences de Montpellier...

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Biologie cellulaire 2 Chapitre I : Le cytosquelette cellulaire I.

DEFINITION A.

Cytosquelette : 3 classes de polymères protéiques

Le cytosquelette : les éléments figurés trouvés dans la cellule, non délimités par des membranes (un élément figuré est un élément qu’on peut voir en microscopie). Ce sont des assemblages protéiques. Ces éléments fonctionnent selon un principe de polymérisation et dépolymérisation. Mais il n’existe pas de liaison covalente entre les sous unités, seulement des liaisons faibles (hydrogène) qui associent les protéines entre elles. L’actine : polymère sous forme de double hélice. C’est le plus petit élément du cytosquelette. Il y a polymérisation d’une protéine globulaire liant l’ATP. Les tubules : correspondent à la polymérisation d’une protéine globulaire hétérodimérique liant le GTP. Les microtubules sont plus gros que les microfilaments d’actine. On associe souvent la tubuline et l’actine, ils ont de nombreuses analogies : ce sont deux protéines globulaires. Les filaments intermédiaires : portent leur nom car leur taille est intermédiaire entre les microfilaments et les microtubules. Ils sont très différents car sont composés de protéines fibreuses.

B.

Cytosquelette et dynamique cellulaire

On voit une alternance des phases de dépolymérisation et de polymérisation. La cellule gère un pool d’actine libre, et gère le cytosquelette en fonction des déplacements nécessaires. Une cellule est en situation de répondre rapidement à un signal extérieur en modifiant l’état de polymérisation de son cytosquelette. La variation contrôlée de l’état de polymérisation du cytosquelette est responsable des changements dynamiques de morphologie cellulaire. La polymérisation correspond à une association non covalence de n unités protéiques.

C.

Cytosquelette et morphologie cellulaire

Le cytosquelette est responsable de la morphologie cellulaire.

Exemples :

-

Les microvillosités sont composées de microfilaments. La zone sous membranaire correspond à là où la concentration en actine est maximum. Se forment alors des faisceaux d’actine, l’actine à l’intérieur est en perpétuel mouvement.

-

L’agrégation plaquettaire : se produit lors d’une brèche vasculaire. Les plaquettes sont remplies d’actine, et sous l’effet du Ca²+, le cytosquelette se réarrange.

On observe 2 types d’organisation pour l’actine, selon le type cellulaire : -

En réseau (actine : au niveau du cortex) : enchevêtrement de microfilaments. Les réseaux sont responsables d’une certaine viscosité de la cellule.

-

En faisceaux : Faisceaux parallèles, sérés (les microfilaments sont très proches, ce sont ceux situés dans les microvillosités ou les filopodes) Faisceaux larges : antiparallèles au niveau de leur polarité : forment des fibres contractiles avec de la myosine au milieu).

Il existe des zones d’enchevêtrement de tubuline, mais c’est rare. Il s’agit d’une structure très organisée. Les faisceaux serrés des microtubules sont observables dans l’axone. Le cytosquelette est donc une structure active, qui répond à des signaux extérieurs.

II.

MICROFILAMENTS D’ACTINE A) Organisation de l’Actine 1) Caractéristiques structurales.

Les microfilaments auront leur extrémité + dirigée vers la membrane. L’actine interagit avec de nombreuses protéines. On observe deux formes de l’actine, les monomères et l’actine sous forme polymérisée : -

Monomère d’actine : ce sont des protéines globulaires, liées à ATP ou ADP. Cette liaison définit les deux états : T et D. Dans le cytosol, en solution, elle est toujours liée à l’ATP (état T)

-

Quand elle est polymérisée, elle est associée à l’ADP (état D)

Il y a polymérisation, puis, assez vite, dégradation de l’ATP en ADP (mais il y a un petit temps de latence entre polymérisation et dégradation de l’ATP).

2 formes d’actine existent : -

L’actine globulaire (G)

-

L’actine polymérisée (F) (on retrouve la même situation pour la tubuline).

En solution, la plupart du temps, l’actine est associée à la profiline (qui favorise sa polymérisation). La forme G toute seule n’existe pas. Dès qu’elle est libérée de la profiline, l’actine est prête à se polymériser. Elle se polymérise en empilant les monomères comme des briques de légos (toujours dans le même sens). La conformation de la protéine change si la forme est liée à l’ATP ou à l’ADP. Dès que les protéines d’actine sont libérées dans le cytoplasme, elles se polymérisent très vite, mais leur forme liée à l’ADP est très instable, très fragile (cette forme se casse très vite). Elle est très facile à défaire.

2) Mécanisme de synthèse des microfilaments : On observe un temps de nucléation, qui est en fait un temps de latence, pour qu’un peu des molécules se lient et que la polymérisation « réelle » soit enclenchée. Cette phase peut prendre du temps. Si on met directement des structures de nucléation, on n’observe pas de temps de latence. La concentration en actine atteint très vite son état stable. (On parle d’état stable parce qu’on polymérise du côté + autant qu’on dépolymérise du côté -. Cet état stable est un état actif. Cette polymérisation/dépolymérisation est parallèle à l’hydrolyse de l’ATP. Mais, on observe un temps de latence entre la dépolymérisation de l’actine et l’hydrolyse de l’ATP de la coiffe.

➢ Coiffe en ATP :

Il y a toujours une petite coiffe en ATP sur les polymères d’actine, en raison de l’ajout rapide et du temps de latence, la dégradation d’ATP en ADP n’est pas immédiate. La polymérisation/dépolymérisation de l’actine se fait selon le modèle du tapis roulant : il y a polymérisation et dépolymérisation à la même vitesse. Entre 0,1 et 0,6 microM (les deux concentrations critiques), la cellule essaye de maintenir un pool d’actine libre et d’actine polymérisée. Ce sont deux états caractéristiques de l’actine, et les deux sont importants. Le cytosquelette est responsable de la morphologie cellulaire et de sa transformation dynamique : on voit l’exemple de l’agrégation plaquettaire. L’extrémité + de l’actine est plutôt favorable à la polymérisation, tandis que l’extrémité – est plutôt défaborable.

3) Notion de concentration stable d’ actine : La concentration stable se calcule en fonction des deux concentrations critiques : -

La concentration critique + : au dessus de 0,1 microM, on polymérise côté +

-

La concentration critique - : en dessous de 0,6 microM, on dépolymérise côté -.

Il y a toujours polymérisation au dessus de la concentration critique, et dépolymérisation en dessous. En théorie, l’actine devrait polymériser tout le temps (en raison de la concentration de 50 à 200 microM dans la cellule). Mais en réalité, beaucoup de cette actine est liée à des protéines. La seule qui compte réellement pour la concentration critique est l’actine libre ou liée à la profiline.

B) Protéines liées à l’actine : ➢ Protéines de fixation aux monomères d’actine : La thymosine : protéine de séquestration. Elle inhibe la polymérisation en se liant au complexe Actine G – ATP. La concentration en thymosine dans la cellule est égale à la concentration d’actine (de 50 à 200 microM). La Profiline rentre en compétition avec la thymosine. Elle a la propriété de présenter la molécule d’actine dans le bon sens, c'est-à-dire du côté +, pour favoriser la polymérisation. La profiline a 2 rôles :

-

Facteur d’échange. Recharge G-actine/ADP en G-actine-ATP

-

Promoteur de polymérisation en présence du réservoir actine/ATP/Thymosine béta4 et quand les extrémités + sont libres par un mécanisme de diminution de la concentration critique (+) à 0,007 microM.

Profiline et thymosine sont des exemples de protéines qui se fixent à l’actine G. Il en existe une dizaine, et il existe plus d’une centaine de protéines (qualifiées de cytosquelettiques) associées à l’actine F. L’ensemble contribue à l’organisation du cytosquelette. Le globule rouge est un modèle expérimental historique d’étude des membranes. On y observe surtout l’interaction microfilaments/membrane. L’actine est sous la membrane, liée à plusieurs protéines, par exemple des tétramères de spectrine. On observe également l’actine dans les microvillosités : elle constitue des faisceaux serrés, et les protéines qui maintiennent le contact entre microfilaments et membrane sont la myosine I et l’ezrine (la myosine I a pour rôle de « tirer » vers le bas en polymérisant).

➢ Autres protéines liées aux filaments d’actine : •

Protéines de pontage (= stabilisation des microfilaments)

Stabilisation des microfilaments en faisceaux ou en réseau : fimbrine (dans les faisceaux serrés), alpha-actine (faisceaux larges), spectrine (dans le globule rouge), distrophine (dans les cellules musculaires), filamine (stabilisation des réseaux) Ces protéines de pontage associent 2 microfilaments entre eux.

Structures et fonctions

Spectrine : tétramère Filamine : dimère. Elle permet le pontage de réseau 2D de microfilaments (elle stabilise les liaisons. La perte de filamine conduit à un défaut de motilité. Fimbrine : monomère, avec deux domaines proches (intervient dans les faisceaux serrés) Distrophine : permet de maintenir l’intégrité de la liaison actine/membrane.

➢ Protéines d’ancrage à la membrane : protéine bande 4, protéine ERM La plupart des microfilaments ont leur extrémité (+) ancrée à la membrane. La famille des ERM correspond à Ezerine, radixine, Moesine. Elles sont responsables du couplage membrane/cytosquelette. Ces protéines sont de la même famille que la protéine bande 4.1 (du cytosquelette du globule rouge). L’activation des ERM : La première étape est la phosphorylation du phosphatidyl inositol. C’est un sucre, donc il peut subir plusieurs phosphorylations par plusieurs kinases. C’est un composant de la membrane interne. Sa phosphorylation entraine le recrutement d’autres kinases, et des ERM. Les ERM vont être phosphorylées en Cter, et sont donc activées. ➢ Les protéines Rho, activatrices des ERM : Elles sont impliquées dans le remaniement des protéines du cytosquelette, en favorisation la phosphorylation des protéines ERM. Ce sont des petites protéines G monomériques. Les protéines Rho permettent de phosphoryler les protéines ERM, qui elles-mêmes, lorsqu’elles sont phosphorylées, permettent le recrutement des microfilaments d’actine. Les protéines Rho-GDI sont des inhibiteurs des protéines Rho (par séquestration) En inhibant les protéines Rho, elles inhibent les protéines ERM et de ce fait inhibent le recrutement des microfilaments. Il y a donc une boucle : La protéine Rho active ERM, qui, sous sa forme active, interagit avec Rho-GDI qui séquestre la protéine Rho sous sa forme GDP. Il y a alors libération de Rho-GTP.

Protéine de coiffe et de fragmentation : villine, severine, capZ (coiffe), gelsoline (fragmentation) La gelsoline a pour rôle de casser les microfilaments. Ainsi, elle fait apparaître une extrémité (-) supplémentaire, qui a tendance à se dépolymériser. L’action de la gelsoline dépend de la concentration en actine :

A faible concentration : (de 1/1400), beaucoup des microfilaments ont leurs extrémité bloquées. En cassant, on permet la dépolymérisation, pour augmenter le pool d’actine libre. A forte concentration, on peut polymériser aux deux extrémités. La cellule réduit donc le pool d’actine libre. Elle est aussi une protéine de coiffe : elle se fixe sur l’extrémité (+) pour favoriser la polymérisation du côté (-).

Protéines de nucléation : complexe Arp2/3, formines Favorisent la création de polymères d’actines immédiats. Responsables des organisations en branches de l’actine.

C) Contact focaux : Les zones de contact entre matrice et cellule sont très importantes, sans quoi il y aurait apoptose de la cellule. Au niveau de la membrane, il y a recrutement de plusieurs intégrines, qui interagissent avec la matrice extracellulaire en ayant l’effet d’un crampon. Plus il y a de contacts focaux, plus il y a prolifération cellulaire Un contact focal correspond à un point de contact entre la cellule et la matrice extra cellulaire. Entre les contacts focaux de part et d’autres de la cellule, il y a des faisceaux contractiles.

D) Actine et motilité cellulaire : ➢ Exemple des lamellipodes La polymérisation de l’actine côté (+) entraîne la motilité de la cellule. Le front d’avancée n’est constitué que de l’actine. A l’arrière du front, on trouve la cofiline. La cofiline est une protéine liée à l’actine, qui favorise sa dépolymérisation. Elle se fie plutôt sur l’extrémité (-). Cette protéine a deux rôles : d’abord de casser les microfilaments (donc de favoriser la dépolymérisation), et elle favorise l’échange d’ADP en ATP. Elle interagit avec la profiline, qui a le même effet d’échange. La transformation d’ADP en ATP est donc très favorisée. En conséquence, il faut casser l’actine pour compenser la polymérisation, et créer de l’actine ATP pour continuer à polymériser. Plus particulièrement : le rôle de l’actine dans la motilité cellulaire : Le complexe Arp2/3 est composé de plusieurs protéines. Il a un rôle de nucléateur, c'est-à-dire qu’il permet de fabriquer immédiatement un microfilament, sans qu’il y ait de temps de nucléation. Il est responsable du branchement des microfilaments.

Ce complexe fonctionne seul ou à partir d’un microfilament déjà existant. Dans le cas d’un MF déjà existant, l’angle qui se forme entre celui existant et le nouvellement formé est constant : de 70°.

Il existe un équilibre entre polymérisation et branchement en amont et dépolymérisation en aval. L’actine nouvellement formée pousse la membrane grâce à un front bombé. ARP : Actine Related Protein. Ce complexe est parfois utilisé par des bactéries pathogènes pour détourner le cytosquelette d’actine cellulaire à leur profit (par exemple, lysteria monocytogenes et shigella), pour former un réseau d’actine (sous forme de comètes d’actine) afin de se déplacer. Arp2/3 polymérise l’actine. Le microfilament s’allonge, pousse la bactérie et la fait avancer. ActA augmente l’effet de nucléation de Arp2/3. Grace à ActA, on a pu mettre en évidence une famille de protéine ayant la même fonction que Arp2/3. Exemple d’un autre nucléateur : la formine (pour les faisceaux). Elle polymérise par ajout de l’actine côté (+), en ainsi pousse la bactérie.

E) Moteur de l’actine : la myosine Les myosines se déplacent toutes vers l’extrémité + du microfilament. Ce sont des moteurs. Les microfilaments d’actine jouent un grand rôle dans le déplacement des organites dans la cellule, par l’association à de la myosine de type 1. Cette dernière fixe l’organite par sa queue et migre le long des microfilaments d’actine par sa tête. La myosine I n’a qu’une seule sous unité. Elle est présente sur les faisceaux serrés. La myosine II est la myosine musculaire (à longue queue). Elle se déplace vers le pole + de façon têtebèche. Elle est présente sur les faisceaux larges.

F) Les drogues affectant les microfilaments : Actine-spécifique : Phalloïdine, qui interagit avec les microfilaments en les stabilisant (donc empêche la dépolymérisation Cytochalasine B : qui se fixe côté (+), on observe une dépolymérisation Latrunculine : qui interagit avec les sous unités libres, et empêche la polymérisation.

III.

MICROTUBULES

A) Organisation Analogie avec les filaments d’actine : la dynamique est la même L’extrémité (+) a tendance à polymériser.

C’est une protéine globulaire, il existe une forme G et une forme F, un état T et un état D . Le rôle des microtubules est complément différence de celui de l’actine. Ils sont organisés à partir d’un site unique de façon radiale. Ils explorent ainsi le volume cellulaire, et participent à l’organisation de l’espace cellulaire Les microtubules s’organisent à partir d’un centre organisateur : le MTOC. En interphase : il n’y a qu’un seul centre En mitose, il y a deux centres. Les microtubules d’une cellule en division sont organisés ainsi :

Chez l’animal, ce centre organisateur est composé de :

-

2 centrioles (plusieurs centrioles sont à l’origine de la formation du centre organisateur chez les animaux).

-

Du matériel péri centriolaire autour de ces centrioles

-

Des sites de nucléation (anneaux de tubuline gamma)

Tout cela sert à créer un environnement positif pour permettre la croissance des microtubules par leur extrémité +. Le centre organisateur est lié au noyau, et il dessine des axes à partir du centre de la cellule. Il est dirigé vers le pôle fonctionnel de la cellule, qui dépend de son rôle. •

Exemples :

Dans les neurones : le centre organisateur est dirigé vers l’axone (qui est le pôle fonctionnel) Dans les entérocytes : le centre organisateur est dirigé vers les villosités.

B) Réaction de polymérisation Lors de la polymérisation, il a perte de la coiffe en GTP, et une transformation GTP-GDP (similaire à la transformation ATP-ADP des microfilaments). Le nombre d’anneaux de tubuline gamma du centrosome limite la taille maximale des microtubules. La cellule se débrouille pour que la concentration en tubuline libre soit toujours inférieure à la concentration critique. La concentration en tubulines est minime du côté +, vers la périphérie de la cellule. Il y a alors dépolymérisation (car la concentration en tubuline est inférieure à la concentration critique) et repolymérisation… Les microtubules explorent la cellule. Les microtubules sont responsables de la dispersion et de l’agrégation des granules pigmentaires (écailles de poisson, cf TP).

C) Structure : Les microtubules n’ont aucune souplesse. Ils sont constitués de tubes de 13 protofilaments. La forme G correspond au dimère de tubuline alpha et bêta (la tubuline alpha est toujours liée au GTP et la tubuline bêta peut être liée au GTP ou au GDP). C’est la tubuline bêta qui possède une activité GTP-ase.

Du côté +, les sous unités se rajoutent par Alpha sur Bêta. Une phase de croissance linéaire des protomères est associée à une phase d’association latérale :

Les interractions latérales viennent stabiliser le microtubule.

D) Instabilité dynamique des microtubules :

Il y a alternance entre polymérisation et polymérisation, lorsqu’on atteint les stades de catastrophe et Rescue, mais le microtubule ne se dépolymérise jamais complètement. La perte de la coiffe en GTP entraîne la « catastrophe », qui entraîne la dépolymérisation. On voit ainsi l’importance de la coiffe : le GTP permet au microtubule d’avoir une forme droite. Si le GDP le remplace, les microtubules ont une forme courbe, qui est beaucoup plus instable. Il n’y a alors plus de stabilisation latérale, le microtubule est déstabilisé et se dépolymérise. Des protéines interagissent pour favoriser ou défavoriser la stabilité, en jouant sur le GTP de la coiffe, ce qui va entraîner l’alternance des phases de catastrophe et de récupération. Ces protéines de stabilité sont très importantes dans l’axone, dans lequel les microtubules jouent un rôle essentiel.

E) Protéines associées aux microtubules :

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Protéines MAP : (MT associated Protein), famille de protéine qui stabilisent les microtubules. Elles permettent les interactions entre microfilaments et microtubules, et empêchent de perdre la coiffe.

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Protéines de déstabilisation : exemple de la Kinesin 13, qui a une grande importance dans la mitose.

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Protéines de coiffe

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Protéine moteur

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Protéine de séquestration

F) Remarques : Les microtubules associés au MTOC sont les microtubules « labiles. Les microtubules stables sont situ...