1 Le cytosquelette Introduction : Dans ce cours, nous nous focaliserons sur la structure du cytosquelette qui est en fait constitué par des filaments, des tubules de nature protéique. Ces éléments du cytosquelette cellulaire, sont classés dans trois familles très conservées au cours de l'évolution, nous les décrirons les unes après les autres : - les filaments d'actine, : 10 nm - les filaments intermédiaires : entre 10 nm et 25 nm. - les microtubules : 25 nm Diapo 1 : Trouver les différents éléments du cytosquelette : indices : les microtubules et le centre cellulaire, les filaments intermédiaires, ici sont représentées les lamines nucléaires l'actine, ici on vous montre qu'elle forme un réseau dense cortical sous membranaire. Généralités Ces différents éléments du cytosquelette cellulaire sont d'une façon générale organisés de la même façon, ils résultent tous de la polymérisation de "maillons élémentaires" que l'on va nommer par éléments / protéine dite "monomères". Ces mécanismes de polymérisation vont être réalisés en général dans un sens précis, ce qui va déterminer une extrémité négative et une extrémité positive au filament / tubule. L'extrémité négative est en fait le début du filament (origine de la polymérisation) et l'extrémité positive est la partie du filament qui est en cours de polymérisation par addition de monomères. Le cytosquelette forme un réseau complexe de filaments et tubules qui s'étend dans tout le cytoplasme. Le cytosquelette est une structure très dynamique qui se réorganise continuellement au cours des différents évènements du cycle cellulaire (migration, déplacement, division, etc.). 2 Les familles des microtubules et des filaments d'actine sont très homogènes et ont été très étudiées. Ces deux familles sont présentes dans toutes les cellules et les molécules constitutives sont bien connues et toujours les mêmes (tubuline dans un cas, actine dans l'autre). Les filaments intermédiaires sont en revanche plus hétérogène (ex : kératines, lamines, desmines...), constitués de molécules qui diffèrent selon le type cellulaire, en fait dans ce cours on en reparlera certes , mais de façon assez succincte. Ce cytosquelette possède de nombreuses fonctions : - défense contre les agressions mécaniques, - maintien de la forme de la cellule - mouvements cellulaires - implication dans les mécanismes d'adhésion cellulaire. - division cellulaire (fuseau + anneau actine cytodiérèse) - transports intra-cytoplasmiques (vésicules le long neurotubules) J'oublie probablement d'autres rôles physiologiques de ce cytosquelette cellulaire... A ce réseau fibrillaire d'autres types de protéines peuvent se fixer. Différents types de protéines vont interagir avec le cytosquelette, qui sont regroupées en familles, dont voici deux exemples : - protéines de liaisons entre les filaments / tubules et/ou avec le reste de l'architecture cellulaire : protéines de pontages, protéines impliquées dans l'interaction avec les membranes, points d'ancrage... - protéines impliqués dans des mécanismes de motilité : en général ces protéines sont consommatrices d'énergie (ATP), globalement, on classe ces protéines dans la catégorie des moteurs moléculaires. Elles possèdent un point d'ancrage sur les filaments qui leur permet de se déplacer le long de ceux ci, et également un autre point d'ancrage sur l’élément à transporter ce qui leur permet de transporter des protéines ou organites le long de ce réseau. 3 I. Actine Carrefour cellulaire (2 dia) Les principaux rôles de l’actine (1 dia) Visualisation et méthodes d’études (1 dia) Dans de nombreuses cellules animales c'est la protéine la plus abondante, puisqu'elle peut représenter jusqu'à 10 % des protéines totales dans les cellules non musculaires, et jusqu'à 60 % dans les cellules musculaires. Autant dire qu'elle possède des rôles prépondérants dans la vie de la cellule. Cette protéine est quasi ubiquitaire, puisqu'elle est présente dans quasiment toutes les cellules eucaryotes. Cette protéine est également très conservée au cours de l'évolution (plus de 90 % de conservation entre la levure et l'homme). Les filaments d'actine forment des structures dynamiques qui sont plus au moins stables selon le degré d'interaction avec des protéines associées (dont la fonction de certaines est justement de stabiliser ces filaments). Les formes les plus stables de ces filaments sont retrouvées dans les cellules musculaires et dans les entérocytes avec les microvillosités retrouvées aux pôles apicaux de ces cellules. Par contre, dans une cellule en mouvement, les filaments d’actine qui participent au mouvement (amoeboïde) correspondent à des filaments non stables en constante polymérisation et dépolymérisation. L'actine, est codée par six gènes chez l’homme, qui sont nés de la duplication d’un gène primitif et qui ont ensuite évolué séparément. C’est une protéine qui se lie à l'ATP, et qui possède un poids moléculaire d'environ 43 kDa. La diversité moléculaire entre les six types d'actine (on parle d’isoformes) est très faible puisqu'on relève plus de 90 % d'identité dans leur séquence d'acides aminés. La partie variable concerne les 30 acides aminés du coté amino-terminal (sur un total de 375 résidus). Ces isoformes sont spécifiques des tissus comme les cellules musculaires avec des isoformes cardiaque, vasculaire, squelettique (actines ), ou de cellules non musculaires (actines et ). On a longtemps pensé que les gènes de l’actine étaient très conservés au cours de l’évolution, c’est vrai, mais on aussi mis en évidence récemment la présence de protéines de la même famille 4 que l’actine mais qui ont plus fortement divergé puisque la conservation de séquence n’atteint pas les 60 %. Ces protéines de la même famille que l’actine (on parle de protéines associées à l’actine) prennent le nom de Arps (pour actine related proteins) On relève aussi évidemment de l’actine dans les plantes, leurs gènes ont par contre beaucoup plus divergé que pour les animaux. Chez les procaryotes, il a été identifié récemment des gènes codant pour un cytosquelette bactérien, qui se révèlent être en fait les ancêtres de l’actine. Je n’en dirais pas plus. Les protéines qui s’associent à l’actine : Elles sont classées en de nombreuses familles, ces protéines régulent la dynamique et l’organisation des filaments d’actine dans la cellule. Globalement, on peut distinguer les protéines qui se lient au monomère d’actine, celles qui sectionnent les filaments, coiffent les filaments, établissent des liaisons croisées dans les filaments, stabilisent les filaments ou se déplacent le long des filaments d’actine. Beaucoup de ces protéines sont modulaires, c’est à dire qu’elles possèdent des domaines analogues de liaisons à l’actine, mais possèdent d’autres régions qui vont déterminer leur rôle dans la cellule. C’est le cas par exemple des myosines et des protéines de réticulation (forment les réseaux). Les protéines de liaison au monomère de l’actine : Le rôle principal de ces protéines va être de contrôler le pool d’actine monomère non polymérisé ainsi que la possibilité d’échange ATP/ADP de l’actine au niveau de ce monomère. Les thymosines : ce sont de petits peptides de 43 résidus qui vont se lier aux monomères d’actine ATP préférentiellement, qui vont inhiber la polymérisation de l’actine. Les membres de la famille ADF/cofiline (ADF, pour Actine Destabiling Factor) : Ces protéines se lient préférentiellement à l’actine ADP, et vont empêcher l’échange de nucléotides. Lorsque ces protéines se lient à l’actine ADP présente dans les filaments, il en résulte une déstabilisation de ces filaments et une coupure du filament liée à la perturbation de l’enroulement hélicoïdal du filament d’actine. Les profilines : Ces profilines se lient préférentiellement à l’actine dépourvue de nucléotide, mais aussi aux formes de l’actine ADP et ATP, l’effet de cette fixation va accélérer l’échange du 5 nucléotide. De par leur fixation sur l’actine, les profilines encouragent la polymérisation de l’actine à l’extrémité positive du filament. Les complexes actine-ATP/profiline sont ensuite transportés vers l’extrémité positive du filament, et vont donc constituer un pool d’actine disponible pour l’élongation du filament. préférentiellement : fixation plutôt sur une forme de l’actine, mais cette fixation peut toucher de façon secondaire les autres formes de l’actine. Les protéines de coiffe (capping) de l’actine : Ces protéines se lient à l’une ou à l’autre des extrémités des filaments d’actine, ou elles vont bloquer l’allongement des filaments. Enfin, certaines protéines de coiffes vont segmenter les filaments d’actine. La gelsoline : Les protéines de la famille de la gelsoline possèdent toutes six domaines. Ces protéines sont activées par la fixation de calcium (qui doit donc être en forte concentration au voisinage de la gelsoline), et ainsi, ces protéines vont se lier sur le corps du filament (induit une cassure du filament) ou à son extrémité (positive), et vont ainsi bloquer à la fois la dissociation ou l’association de sous-unités d’actine. Les protéines de coiffe à trois domaines, comme la fragmine et la séverine, sont des protéines qui possèdent des domaines analogues aux trois premiers domaines des gelsolines (on pense à une duplication de ces gènes qui auraient donné naissance aux gènes de la gelsoline). Les protéines de coiffe hétérodimériques : elles sont formées de deux sous unités d’environ 30 kD. Elles coiffent les extrémités positives des filaments avec une grande affinité. Ex : protéine CapZ. Le complexe Arp 2/3, constitué par deux protéines associées à la famille de l’actine (Arp 2 et Arp 3), va venir coiffer l’extrémité négative du filament d’actine, et il constitue un facteur de nucléation de l’actine. La tropomoduline, elle coiffe les filaments d’actines dans les muscles , ceci se fait en présence de tropomyosine, qui est une protéine qui se fixe sur toute la longueur du filament d’actine. Les protéines de fragmentation des filaments d’actine. 6 Dans les classes précédentes trois d’entre elles sont aussi des protéines de fragmentation, gelsoline, fragmine/séverine, ADF/cofiline. Les protéines de réticulation de l’actine. Ces protéines possèdent deux sites de liaison à l’actine, ce qui va permettre de relier deux filament d’actine entre eux. Parmi ces protéines, certaines d’entre elles vont plutôt organiser les filaments d’actine de façon parallèle en faisceaux réguliers (ex : micro-villosités), alors que d’autre vont favoriser la formation de réseaux de filaments non organisés. L’-actinine, est présente dans le réseau d’actine corticale, espacée le long des fibres de stress, mais aussi au niveau des jonctions cellulaires. La fimbrine et la villine, fascin sont des protéines qui vont stabiliser les réseaux réguliers des filaments d’actine comme par exemple dans les microvillosités. La fillamine, établit des liaisons croisées entre les filaments, elle permet également l’ancrage à la membrane plasmique de ces filaments en permettant une interaction avec des protéines de la famille des intégrines. D’autre protéines comme la spectrine, la dystrophine, permettent aussi cette ancrage à la membrane, en possèdant à la fois un domaine de liaison à l’actine et un domaine de liaison aux protéines transmembranaires de la membrane plasmique. Les protéines de stabilisation de l’actine. Ce sont souvent des protéines qui se lient sur le coté du filament d’actine et qui sont des protéines allongées. La tropomyosine : elle augmente la tension des filaments d’actine, dans les cellules musculaires elle est un acteur de la régulation du Ca++. La nébuline : intervient dans la régulation de la longueur du filament d’actine La caldesmone : dépendante du ca++, elle régule les interactions actine-myosine. Les protéines adaptatrices : 7 Ce sont des protéines à domaines multiples qui vont jouer le rôle de lien entre l’actine et les autres éléments, comme les complexes actine-profilines, les petites GTPases de la famille de Rho (Rho, Rac, Cdc42), ou d’autres protéines de signalisation. Exemple : la protéine WASp à domaines multiples sont activées par les petites GTPases (comme Rho – voir schéma), elles ont un domaine de liaison à Arp2/3 et vont donc l’activer. Polymérisation de l’actine : La polymérisation de l'actine est contrôlée par de nombreuses protéines, comme le complexe ARP2/3, la profiline, CapZ et la gelsoline Le complexe ARP 2/3 (ARP pour Actine Related Proteins) est en fait un élément clef pour le polymérisation de l'actine. Ce complexe est constitué par 7 protéines (Arp 2, Arp 3, p41-arc, p34-arc, p21-arc, p20-arc, et p16-arc). Ce complexe a été à l'origine localisé au niveau des fronts de migration des cellules, justement dans des zones ou l'on observait des mécanismes intenses de polymérisation de l'actine. En fait ce complexe est impliqué dans l'initiation de la polymérisation : il forme un complexe de nucléation de l'actine : il va favoriser l'accrochage des premiers monomères d'actine pour l'élaboration d'un nouveau filament. Définitions : la forme monomérique ou actine G (pour globulaire), et la forme de l'actine engagée dans les filaments, ou actine F. Lorsque l'actine se polymérise, cela conduit à la formation d'un filament de structure hélicoïdale (en corde) de diamètre d'environ 10 nm. Les monomères d'actine qui s'engagent dans la formation des filaments vont en fait contracter des liaisons non covalentes, de type électrostatiques et hydrophobes. Ces filaments possèdent une polarité, avec une extrémité positive qui est l'extrémité ou s'allonge le filament par polymérisation rapide (on parle aussi d'extrémité barbue), et une extrémité négative (ou extrémité pointue), qui est donc par défaut l'extrémité de naissance du filament mais aussi une extrémité de polymérisation lente du filament. La dépolymérisation se fait de la même façon, à savoir donc qu’elle est possible aux deux extrémités du filament. Nota : Il est possible en MET de mettre en évidence extrémité barbue ou pointue en incubant le filament avec de la myosine, qui permet alors de distinguer les deux extrémités du filament. 8 L'actine se polymérise (en présence d'ATP, et de cations) en une hélice serrée de 5-9 nm de diamètre formant un filament flexible et polaire. Après la polymérisation, une hydrolyse de l'ATP a lieu, le phosphate (Pi) est libéré et l'ADP qui en résulte reste piégé dans le polymère. Les molécules d'actine liées à l'ADP ont tendance à se détacher du polymère aux extrémités des filaments, si les filaments ne sont pas protégés par des protéines de coiffage. Les monomères d'actine ainsi libérés doivent être rechargés en ATP avant de pouvoir être ré-inclu dans le filament. L'ensemble de ces mécanismes de polymérisation et de dépolymérisation, vont en fait aboutir à des phénomènes dit en tapis roulant ou treadmilling en anglais, qui font que les filaments d'actine ont à peu prêt toujours une longueur constante, puisque à mesure qu'ils progressent (dans un front de migration), ils se dépolymérisent à l'extrémité négative (à l'arrière). Sur un plan moléculaire : Pour les filopodes : La GTPase Cdc42 à l’état normal est inactive, mais quand un signal extérieur va commander le démarrage d’un filopode, le second messager PIP2 (phosphatidyl-inositol (4,5)bis phosphate) va libérer Cdc42 de son complexe d’inhibition GDI (pour guanine nucleotide dissociation inhibitor, qui empêche échange GTP/GDP) qui va alors se fixer à la membrane. Cdc42 et PIP2 vont alors se lier à la partie N-terminale de N-WASP (protéine de la famille des WiskottAldrich syndrome protein, déficience génétique de la protéine qui conduit à une immunodéficience et à des saignements), ce qui va permettre l’association de N-WASP à la membrane. Cette liaison de Cdc42 à N-WASP induit un changement de la partie C-term de N-WASP qui va alors pouvoir recruter et activer le complexe Arp 2/3. A son tour Arp 2/3 est activé et peut commencer à générer un nouveau filament d’actine. En cours d’élongation, on va avoir dissociation du complexe Arp 2/3 de N-WASP. Pendant l’élongation l’extrémité du filament est maintenue au voisinage de la membrane par Vasp (Vasodilator Phosphoprotein, pourquoi ce nom ??), la zyxin et d’autres protéines. Pour les lamellipodes : La GTPase Rac va d’abord activer Scar/Wave (aussi de la famille des Wiskott-Aldrich syndrome proteins), qui va être cibler vers la membrane plasmique. De la même façon que précédemment le complexe Arp2/3 va venir se fixer et être activé pour démarrer un nouveau filament. De la même façon, le filament en élongation va être maintenu par Vasp et la zyxin, et la dissociation de Arp 2/3 de Scar/Wave, permet une association avec un autre filament d’actine (croisement en Y). Organisation des filaments d'actine : 9 Dans les cellules au repos, seule la moitié de l’actine est polymérisée, et représente une concentration de 50-100 M, ce qui est très important, et permet de répondre rapidement à la nécessité d’assemblage de nouveaux microfilaments. L’assemblage des filaments se fait au niveau du bord frontal de la cellule, et la polymérisation rapide des filaments au front de progression va pousser la membrane plasmique vers l’extérieur. Dans les cellules stationnaires, on retrouve un cortex d’actine sous membranaire qui est relié à la membrane plasmique, notamment par l’intermédiaire d’intégrines. On peut classiquement dire que l'on a trois types d'organisation (réseau, faisceaux lâches, faisceaux serrés) des filaments d'actine, en sachant que ces trois formes sont plus ou moins interconnectées dans le cytoplasme d'une cellule. Les faisceaux parallèles sérrés. On les trouve dans les microvillosités. Les filaments qui les composent sont orientés avec la même polarité. L'espace d'environ 20 nm entre les filaments est déterminé par leur liaison à la fimbrine (protéine intercalaire de 20 nm, 68 kDa). Ces faisceaux d'actine sont dits serrés, et de ce fait, au moins dans la partie microvillosité, ils ne peuvent pas intervenir dans des mécanismes contractiles du fait de l'inaccessibilité pour des molécules de type myosine par exemple. Ces faisceaux se poursuivent ensuite dans le cytoplasme pour former un réseau sous membranaire qu'on appelle le terminal web. Ces faisceaux d'actine, lorsqu'il rentrent dans le cytoplasme vont participer à des jonctions membranaires qui vont assurer la cohésion du tissu épithélial bordant par exemple la cavité intestinale. Les réseaux formant des mailles On les trouve dans les lamellipodes et le réseau sous-membranaire (actine corticale). Les filaments y sont organisés en un arrangement relativement lâche, avec beaucoup d'interconnexions orthogonales formées par la filamine (protéine de 80 nm, 260 kDa). Les faisceaux contractiles ou fibres de stress, faisceaux lâches. 10 Dans les ceintures d'adhérence, l'anneau contractile mitotique et les fibres de tension. Les filaments y sont espacés de 40 nm grâce à une liaison à un dimère d'-actinine (100 kDa). De ce fait des molécules de type myosine peuvent réaliser des phénomènes contractiles avec ces faisceaux (par exemple grâce à des complexes bipolaires de plusieurs molécules de myosine-II. Quelques mécanismes médiés par l'actine : Migration et mouvements cellulaire Les mouvements nécessaires aux déplacements se font grâce au cytosquelette et à l'actine en particulier. L'actine joue un rôle dans la formation des lamellipodes / pseudopodes / filopodes avec pour conséquence des phénomènes d'expansion membranaire. Le réseau d'actine périphérique sous-membranaire sert d'appui à la polymérisation de nouveaux filaments qui repoussent la membrane, formant ainsi progressivement le lamellipode. Les sites d'initiation de la polymérisation (sites de nucléation) sont désignés par l'activation de ARP2/3 qui pour sa part est sous l'influence des récepteurs membranaires (par exemple récepteur de chémokine > chimiotactisme). Les lamellipodes sont des extensions dynamiques permettent le déplacement sur une surface. Ces mécanismes de déplacement s'accompagnent d'intenses mécanismes de réabsorption de membrane à l'arrière de la cellule (endocytose) et d'apport de membrane au niveau du front de migration (exocytose). De façon plus complexe il s'établit dans la cellule un intense traffic vésiculaire qui permet le recyclage de membrane de la partie postérieure de la cellule vers la partir antérieure (le front de migration). Traction sur les matrices extracellulaire Les faisceaux contractiles d'actine forment des fibres dites « de tension » dans les fibroblastes tissulaires (tissu conjonctif) les rendant capables de se contracter et d'exercer ainsi une traction sur la matrice extracellulaire qui les entoure (Ce processus est essentiel pour entamer la cicatrisation au cours de laquelle les deux lèvres de la blessure doivent progressivement être rapprochées). Par l'intermédiaire de complexes moléculaires d'adhérence regroupés aux sites appelés contacts focaux, les filaments d'actine sont reliés à la matrice extracellulaire (fibronectine, laminine et collagène). La molécule principalement impliquée est une protéine de la famille des intégrines qui, grâce à un complexe de molécules de liaison (taline, vinculine et actinine) est fixée au cytosquelette d'actine. 11 Cytodiérèse En fin de mitose, après que les chromosomes se soient séparés grâce aux microtubules (télophase), les filaments d'actine forment en périphérie de la cellule et perpendiculairement à l'axe du fuseau mitotique (microtubules), un faisceau contractile appelé anneau contractile. Quand l'anneau se contracte (comme le cordon d'une bourse) il sépare la cellule mère en deux cellules filles (cytodiérèse). Maintien de l'intégrité tissulaire et participation aux mouvements des feuillets embryonnaires Les filaments d'actine sont un composant important de la ceinture d'adhérence (zonula adherens). Ces filaments sont arrangés sous forme de faisceaux contractiles. En associant les éléments du cytosquelette d'une cellule à ceux d'une autre, cette ceinture permet à l'épithélium de résister aux agressions mécaniques. Rôle dans l'embryogenèse. En plus de ce rôle utile de résistance tissulaire, les faisceaux contractiles des ceintures d'adhérence sont à l'origine de mouvements tissulaires au cours de l'embryogenèse. La formation du tube neural en est un exemple représentatif. C'est en effet la contraction des ceintures qui provoque l'affaissement du feuillet neuro-ectodermique, donnant ainsi naissance à la gouttière neurale puis au tube neural. Armature des microvillosités Les bordures en brosse des cellules épithéliales digestives sont formées de microvillosités. Ces différenciations résultent en une augmentation considérable de la surface cellulaire apicale, facilitant ainsi la capture des nutriments dans le tube digestif. Ces microvillosités possèdent une armature constituée de filaments d'actine associés en faisceaux parallèles, orientés côté + distal et liés par la fimbrine. Je termine ce chapitre sur la polymérisation en disant que l'on a aussi des possibilités d'étudier in situ la polymérisation de l'actine en utilisant soit des techniques de marquage de l'actine, soit des drogues agissant sur l'actine : 12 - cytochalasine : bloque l'extrémité positive, empêche la polymérisation. - phalloïdine (du champignon): stabilise le filament d'actine et s'oppose à la dépolymérisation. II. Micro-tubules Les microtubules sont les plus épais (25nm) des éléments du cytosquelette. Ils interviennent dans tous les mouvements intracellulaires, migration des organites dans la cellule, transport axonal dans les neurones mais aussi séparations des deux jeux de chromosomes lors de la division cellulaire. Formation et polymérisation des microtubules. Les microtubules sont des petits tubes de 25 nm de diamètre, la lumière faisant 10 nm. Ils sont formé par la polymérisation de deux protéines différentes : les tubulines. La tubuline s'associe avec la tubuline pour former un hétérodimère. A ce niveau, le GTP se lie à l'hétérodimère sur un site de la tubuline . Un changement de conformation des protéines permet à ces doublets de s'assembler pour former un protofilament. Enfin, 13 protofilaments vont s'associer pour former un microtubule. Deux protéines différentes peuvent se fixer à l'édifice. La dynéine, présente notamment dans les cils et les flagelles et la protéine tau. On peut trouver dans la cellules des microtubules doubles ou triple. Il s'agit de microtubules qui ont en commun quelques protofilaments, 3 au niveau de chaque point de jonction. Après un laps de temps après l'incorporation des tubulines, le GTP situé donc dans le corps du microtubule va s'hydrolyser en GDP. Cette hydrolyse va avoir pour conséquence la fragilisation du microtubule, et sa stabilité n'est due qu'à l'extrémité en croissance (extrémité +) du microtubule qui continue à incorporer de tubuline-GTP (notion de GTP cap). Si cette incorporation cesse, la cape de tubuline-GTP disparaît (en tubuline GDP), le microtubule devient alors très instable et va alors se dépolymériser en masse et de façon très rapide. Les microtubules se dépolymérisent et se repolymérisent continuellement, à vitesse variable (de l'ordre de quelques secondes ou quelques minutes), et on pense finalement que c'est l'hydrolyse de GTP qui est à la base de cette « instabilité dynamique ». 13 Cette instabilité dynamique peut au niveau cellulaire être contrôlée par des protéines de stabilisation qui s'associent aux microtubules sur toute leur longueur : les "microtubule-associated proteins" ou MAPs : MAP2 (200 kDa), MAP4 (135 kDa) ou la protéine Tau (45 kDa). On estime que la présence de ces protéines réduit 50 fois la probabilité de déclenchement d'une brutale dissociation (catastrophe). In vitro, la polymérisation nécessite la présence pour démarrer de centre de nucléation, c'est à dire de très petits fragments de microtubules. Dans la cellule, Il existe des structures dédiées à l'initiation de la polymérisation des microtubules, ce sont les centres organisateur des microtubules (COMT). Ces centres organisateurs des microtubules sont organisées autour des centres cellulaires ou centrosomes, ils sont constitués de nombreuses protéines qui sont encore aujourd'hui mal identifiées. Il existe des super structures de microtubules que sont les centrioles (retrouvés dans les centres cellulaires au nombre de deux), ou les dérivés centriolaires qui constituent dans des cellules spécialisées des cils et des flagelles. Ces structures (centrioles ou cils flagelles) ont une organisation de base commune constituées par des cylindres de 9 triplets de microtubules. Ce centrosome est doué de continuité génétique, bien qu'aucun ADN n'ait été trouvé dans la structure, les deux centrioles se séparent, chaque centriole isolé déclenche la synthèse d'un autre centriole pour reconstituer un centrosome complet. Un centrosome ne peut pas apparaître à partir de rien dans une cellule. Cette propriété laisse penser que le centrosome et le flagelle (seul organite à base de centrosome) serait tout ce qui resterait d'une endosymbiose. Toutefois, comme aucun procaryote actuel ne possède de centrosome, l'origine de l'organisme serait donc dans un type nouveau (ni bactérie, ni archéobactérie) qui aurait aujourd'hui disparu ou n'aurait pas encore été découvert. D'autres scientifiques situent toutefois son origine dans les spirochète, la question est encore débattue. Les structures qui impliquent des microtubules. - microtubules qui traversent la cellule - fuseau mitotique, et centres cellulaires. - cils et flagelles. En fait ici on ne s'interessera qu'aux microtubules de la cellule en interphase qui ont réellement des rôles cytosquelettiques. 14 Les fonctions intracytoplasmiques Les microtubules sont impliqués dans la répartition des éléments intracytoplasmiques. Ils sont responsables d'une part de l'intégrité des structures cellulaires, d'autre part des mouvements intracytoplasmiques, comme montré dans le cas du fuseau mitotique. Les microtubules sont associé à des moteurs protéiques constitué par la kinésine (du – vers le +) ou la dynéine (du + vers e -) qui fonctionnent en sens inverse. Ces moteurs utilisent les microtubules comme rails pour déplacer des organites des vésicules ou d'autres microtubules. Les microtubules constituent donc le système majeur de répartition intracellulaire. Ces protéines motrices ont besoin d'énergie sous forme d'ATP pour fonctionner. On retrouve donc naturellement des microtubules et/ou les centres cellulaires à proximité du RE mais aussi de l'appareil de golgi qui sont des organites cellulaires (en particulier le golgi) qui ont des fonctions intenses dans le trafic vésiculaire. De même des expériences de traitement de cellules par des drogues inhibant la polymérisation des microtubules ont montré que cela aboutissait à l'abolition de la polarité et de la migration des cellules, deux phénomènes qui sont fortement dépendant du trafic de vésicules au niveau intracytoplasmique (on vient de le voir avec l’actine). En fait les microtubules font office de rails qui vont guider le déplacement des vésicules de recyclage de membrane. Les microtubules sont très présents dans les cellules eucaryotes et particulièrement abondants dans les cellules nerveuses (on parle de neurotubules) dans lesquelles ils représentent 10-20 % des protéines totales, et sont responsables du transport axonal de vésicules de médiateurs. Les drogues anticancéreuses ciblent les microtubules des cellules en mitose Trois types de drogues anti-mitotiques, vinblastine, vincristine et taxol, ont pour cibles les microtubules. Vinblastine et vincristine sont des alcaloïdes (composants azotés synthétisés par les plantes) extraits de la pervenche de Madagascar (Catharanthus roseus (précédemment nommée Vinca rosea)) III. Filaments intermédiaires. 15 Introduction Les filaments intermédiaires sont des polymères protéiques résistants et durables (sauf certains comme les lamines nucléaires) d'au moins 10 nm de diamètre, présents dans le cytoplasme de la plupart des cellules. Ils sont appelés intermédiaires car leur diamètre apparent est compris entre celui des filaments d'actine (microfilaments) et celui des microtubules. Dans la plupart des cellules un réseau extensif de filaments intermédiaires entoure le noyau et s'étend jusqu'à la périphérie cellulaire ou ils peuvent être reliés aux membranes dans les zones de jonctions cellulaires de type desmosomes et hémi-desmosomes (filaments de cytokératine). La polymérisation des filaments intermédiaires Contrairement à l'actine et à la tubuline, qui sont des protéines globulaires, les divers types de protéines qui constituent les filaments intermédiaires sont des molécules fibreuses très allongées. Leur séquence en acides aminés favorise la formation de dimères superenroulés. Au cours de l'étape d'assemblage, deux des dimères superenroulés s'associent de manière antiparallèle pour former une sous-unité tétramérique. C'est un protofilament (3 nm de diamètre). Les tétramères s'ajoutent à un filament intermédiaire en cours d'élongation et 8 protofilaments forment le filament intermédiaire. Les composants des filaments intermédiaires se trouvent rarement dans leur état libre (monomère). Ils ont toujours tendance à rejoindre un filament en polymérisation. Cependant, l'assemblage ou au contraire la dissociation du filament peut s'effectuer mais il s'agit toujours d'un processus lent (plusieurs minutes alors que pour ce qui concerne l'actine et la tubuline, seules quelques secondes sont nécessaires). la phosphorylation de la protéine peut influencer le phénomène de dissociation. Par exemple la phosphorylation de la lamine (filament intermédiaire du noyau) favorise ce processus de dissociation alors que la phosphorylation des neurofilaments l'empêche. Les composants des filaments intermédiaires A l'inverse des gènes de l'actine et de la tubuline, bien conservés au cours de l'évolution, les gènes codant les filaments intermédiaires sont diversifiés et, à ce jour, sont regroupés en une famille d'environ 50 membres formant 6 classes différentes. Fonctions des filaments intermédiaires 16 Par des exemples spécifiques nous illustrons ci-dessous quelques fonctions des filaments intermédiaires. Maintien de l'intégrité cellulaire et tissulaire de l'épithélium Nous avons déjà montré l'importance du cytosquelette dans le maintien mécanique de la cellule et du tissu. Dans les cellules épithéliales, les filaments intermédiaires sont fortement impliqués dans deux types de jonctions d'ancrage : 1. desmosome, interaction cellule-cellule, où ils sont liés avec les membres de la famille des cadhérines, et 2. hémi-desmosome, interaction cellule-lame basale, où ils sont liés aux intégrines. Certaines mutations ponctuelles dans les gènes des kératines 5 et 14, fortement exprimés dans la couche cellulaire basale de l'épiderme, causent la désorganisation du réseau de filaments intermédiaires dans ces cellules épithéliales. Cette désorganisation rend les cellules sensibles aux forces mécaniques, si bien que la moindre pression peut rompre la cellule, induisant ainsi l'inflammation et la formation d'ampoules cutanées. Cette fragilité est à l'origine de la maladie appelée « épidermolyse bulleuse ». Soutien de l'enveloppe nucléaire Un treillis de filaments intermédiaires, polymères de lamine, qui double la face interne de l'enveloppe nucléaire, forme la lamina nucléaire. Elle soutient l'enveloppe et donne au noyau sa forme généralement globulaire. Pendant la mitose, la lamina nucléaire se désagrège grâce à la phosphorylation des lamines (par un complexe kinasique fait de cyclineB/Cdk1). Sa désintégration permet l'entrée d'un autre type d'élément du cytosquelette, les microtubules (établissement du fuseau mitotique), qui, comme on le verra plus tard, participent à la séparation des chromosomes. De même, des mutations dans les lamines conduisent à des maladies génétiques de type progeria, qui sont des maladies conduisant à un vieillissement accéléré des enfants qui en sont atteints. Formation des ongles, cheveux et couche cornée de la peau Les filaments de kératine sont formés en excès par les cellules épidermiques (kératinocytes) et les cellules de l'assise génératrice dans le follicule pileux. Cette expression excessive entraîne la mort des cellules qui restent assemblées (par des desmosomes) et qui forment progressivement la couche 17 cornée, un ongle ou un poil (ou un cheveu). Les caractéristiques des filaments intermédiaires, résistance aux tensions et aux détergents, insolubilité dans l'eau, sont donc essentielles pour une bonne défense contre les agressions physiques et chimiques dirigées contre l'organisme entier. Fonctions des différentes kératines dans l'épiderme Dans l'épiderme on observe une expression topographique et chronologique de différents types de kératines. Les couches cellulaires basales expriment les kératines 5 et 14, qui assurent l'intégrité mécanique des cellules, alors que les couches plus superficielles surexpriment les kératines 1 et 10 qui, en envahissant le cytoplasme, conduisent à une cellule cornée morte. Kératine et cheveux Le follicule pileux Le cheveu (et le poil) est une fine structure capillaire constituée de cellules mortes remplies de filaments de kératine et de résidus lipidiques provenant des membranes plasmiques. Il existe comme je vous l'ai dit précédemment d'autre types de filaments intermédiaires, voici globalement les six classes de filaments : type I : cytokératines acides (de CK9 à CK 20) type II : cytokératines basiques (de CK1 à CK8) type III : vimentine, desmine, glial fibrillary acid protein (GFAP), périphérine type iV : neurofilaments L, M et H, internexine alpha type V : lamine nucléaire type VI : nestine.