Cours cytosquelette

BIOCELL : LE CYTOSQUELLETTE
Le cytosquelette est la charpente de la cellule qui la maintient en place. Il est dynamique (en perpétuel
organisation/désorganisation) et permet, en plus du maintien cellulaire, le déplacement des organites
rapide grâce à la coordination entre la protrusion de la membrane et la translocation du corps
cellulaire.
L’organisation et la dynamique des filaments sont régulés par des protéines qui leur sont associées.
Microfilaments d’actine :
 Rôles :
- Contraction musculaire
- Adhésion cellulaire
- Modification de la forme des cellules : rigidité et souplesse des érythrocytes (= globules
rouges), microvillosités (augmentation de la surface d’échange), formation de filopodes…
- Mobilité cellulaire : au cours du développement pour la mise en place mais également en cas
de réponse immunitaire ou pour transporter des organites + déplacements des bactéries
intracellulaires.
- Intervient dans la formation du fuseau mitotique (division cellulaire)
 Composés de 2 brins de monomères globulaires d’actine qui s’assemblent en hélice, diamètre 7nm.
 Représente 5 à 20% du contenu protéique cellulaire.
 L’actine G (globulaire) porte un ATP ou un ADP dans son sillon.
 La polymérisation du filament n’a pas besoin d’apport d’énergie, mais elle est plus rapide à
l’extrémité + qu’{ l’extrémité –
 Organisation en faisceaux (= fibres de stress) ou en réseaux grâce à des protéines associées.
Filaments intermédiaires :
 Rôles :
- Support mécanique : forces, résistances des cellules exposées aux contraintes (ex : épithéliales)
- Protection l’ADN dans le noyau
- Cohésion entre cellules ou au niveau des tissus (jonctions, contacts avec la matrice).
- Architecture de la cellule (lamines nucléaires, desmines et kératines interviennent aussi dans la
cyto-architecture)
- Migration cellulaire : disposition en « cage » (résistance aux stress mécaniques) ou périnucléaire
(assouplissement du cytoplasme pour permettre la pliabilité de la cellule et son extravasation)
(ex : vimentine intervient dans la migration des lymphocytes).
- Modulation des voies de signalisation : liaison à des récepteurs membranaires ou à des protéines
adaptatrices pour réguler la transmission du signal (extint)
 Forment des câbles qui ne sont pas polarisés, de diamètre de 8 à 12 nm
 Présents dans le cytosol et dans le nucleoplasme (doublent l’enveloppe nucléaire et la stabilisent)
Microtubules (MT) :
 Rôles :
- Motilité des cils et des flagelles
- Fuseau mitotique en cas de division cellulaire
- Transport des organites.
 Association des hétérodimères en protofilament  13 protofilaments  tube creux polarisé
 Le pôle (-) se trouve au centre initiateur du microtubule, le MTOC appelé centrosome, et le (+) est
l’extrémité grandissante allant vers la membrane plasmique.
 Hétérodimères de tubulines α et β qui porte une molécule de GTP ou GDP par sous-unité (jamais
hydrolysé sur la sous-unité α) indispensable pour un filament fonctionnel.
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 Polymérisation plus lente que dépolymérisation (à cause du GTPGDP). En plus de la ligation au
GTP, il faut que la concentration en tubuline soit donc bonne : au-delàs de la concentration critique
Cc, il y a polymérisation, en-dessous il y a dépolymérisation.
 Les MT peuvent être stables, mais aussi éphémères, de même que parfois, ils ne sont pas reliés au
MTOC : ce sont des MT non-centrosomaux comme les dendrites neuronaux. C’est un type de MT
servant au transport de protéines motrices par treadmilling (décroissance côté (-) et croissance
côté (+), causant un déplacement). Majoritairement, ils sont associes en réseaux.
I.
Les protéines associées aux microtubules : les MAPs
Les MAPs s’associent latéralement la paroi des MT et leur confèrent des propriétés particulières
(physico-chimiques, biologiques) et les guident vers des localisations cellulaires spécifiques.
Elles possèdent 2 domaines :
- Un domaine basique de fixation aux MT
- Un domaine acide, en sailli sur la paroi des MT qui se lie soit aux membranes, soit aux filaments
intermédiaires, aux microfilaments d’actine ou { d’autres MT et qui permet e régler la distance
entre les MT.
Les MAPs structurales
- Organisation et modelage des réseaux de MT (MAPs d’assemblage)
- Régulation de la polymérisation et stabilité des MT (MAPs stabilisantes/déstabilisantes)
Les MAPS motrices
- Déplacement des organites cellulaires
- Régulation de l’instabilité des MT
1) Les MAPs structurales
 Les MAPs d’assemblage
- De type 1A, 1B, 1S :
Longues protéines filamenteuses,
flexibles et structurellement très
proches (à la différence de 1A, le type
1B possède une tête globulaire),
stabilisent les microtubules dans les
neurones (1A et 1B) et d’autres types
cellulaires (1S).
(Sur l’image, M= site de liaison aux MT)
- De types 2, 4 ou τ:
Même séquence de 18 A.A. répétées 3 ou 4 fois
dans leur domaine de liaison au microtubule.
 MAP 2 : dans les dendrites, faisant des ponts
entre MT et filaments intermédiaires.
 MAP 4 : dans les cellules non-neuronales,
associées aux MT pendant l’interphase et la
mitose.
 τ : dans les axones/dendrites, accélérant la polymérisation et organisant les microtubules en
épais faisceaux stables.
Les MAPs qui se fixent latéralement sur les MT sont stabilisantes.
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Elles inhibent la dépolymérisation : empêchent les protomères de tubuline de quitter le centre et les
extrémités des MT, tau accélère la polymérisation dans les cônes de croissance des neurones et les
MAPs de type 2 rajoutées à une solution de tubuline accélèrent la nucléation (=formation du noyau).

Les substances chimiques qui affectent les MT

Les voies de signalisation
C’est une phosphorylation/déphosphorylation qui régule la fixation des MAPs aux microtubules.
La forme des MAPS liée aux MTs est déphosphorylée. Kinases impliqués :
- MAP Kinase (prot activée par des mitogènes)
- MARKs Kinase (in vitro MARK augmente l’instabilité dynamique des MT  tau phosphorylé par
MARK en présence d’ATP se dissocie des MT entrainant leur dépolymérisation)
- Cdc2 Kinase
La phosphorylation entraine le détachement des MAPs et la déstabilisation des microtubules et donc
leur raccourcissement.
Ex dans la maladie d’Alzheimer : tau est hyperphosphorylé et entraines la dégénérescence des
neurofibrilles.
 Les protéines de séquestration
La stathmine (op18) stabilise les tubulines sous forme
d’hétérodimères, (en se liant à eux) inhibant leur
polymérisation en MT et stimulant les phénomènes de
catastrophe. Régulation par phosphorylation (inactive) et
déphosphorylation (active). Elle est surexprimée dans les
cellules en prolifération et cancéreuses.
Elle a un rôle important pendant la mitose : elle est active en
prophase, se désactive par phosphorylation au début de la
prophase puis se réactive à la fin de la cytodirèse.
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 Les protéines de coiffe
A l’extrémité (-) :
- La tubuline γ permet la nucléation des MT en croissance et l’ancrage des MT au niveau du MTOC
selon 2 modèles possibles :
 Template model : la tubuline γ s’associe latéralement pour former un anneau
protéique.
 Protofilament model : la tubuline γ s’associe longitudinalement en protofilaments
prolonge par les dimères d’α et β (le tube est ainsi referme).
Elle affecterait aussi la dynamique des MT { l’extrémité (+) par des mécanismes mal connus.
- La catastrophine (centrosome)
A l’extrémité (+) :
- La catastrophine (kinétochore) : déstabilisatrice des MTdépolymérisation. Ce sont des
dépolymérases membres de la famille des kinésines, induisent des catastrophes en déparant les
protofilaments.
- (+) Tip : stabilisateurs des MT (régissent les forces appliquées au MT), régulent différents
aspects de l’architecture cellulaire en interagissant avec les facteurs de signalisationassurent
un lien avec des structures cellulaires (cortex cellulaire, kinétochore, vésicules d’endocytose…)
 Clip : lient les vésicules d’endocytose, participent au trafic vésiculaire, { la formation
de faisceaux, régulent la localisation des dynéines/dynactines. Clip 115 : très
présente dans les dendrites des neurones.
 Clasp : stabilise les MT et intervient dans leur dynamique en interagissant avec les
Clip.
 APC : à proximité de la membrane plasmique des cellules en migration, stabilise les
MT et intervient dans la formation des faisceaux. Présente dans les cônes de
croissance des neurones.
 EB1 : interagit avec APC, intervient dans la pousse neuritique.
 Les protéines de fragmentation
- La Katanine casse les MT, les libère de leurs attaches sur le MTOC, rôle crucial dans la
dépolymérisation rapide des MT au pôle du fuseau mitotique au cours de la mitose mais aussi
dans les neurones. Nécessite de l’ATP.
- La protéine STOP dans le système nerveux : confère une résistance à la dépolymérisation (inhibe
la dynamique, stabilise les MT), au froid et au nocodazole, permet l’initiation de la pousse
neuritique. Lorsqu’elle est phosphorylée, elle se détache des MT et va s’associer { l’actine et aux
protéines synaptiques mais elle est pratiquement tout le temps associée aux MT, leur conférant
leur grande stabilité.
2) Les MAPs motrices
 Fonctions des moteurs moléculaires :
-
Transport des vésicules de sécrétion, d’endocytose et entre le RE et Golgi
Tri et adressage des protéines dans les cellules polarisées
Mouvements et organisation spatiale des organites
Transport viral
Mise en place du fuseau mitotique
Battements des cils et flagelles
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
2 types :
- La Kinésine : transporte des vésicules du
corps cellulaire vers la terminaison
nerveuse de l’axone qui correspond {
l’extrémité (+) des MT (identifiée dans
l’axone géant de calmar).
- La Dynéine : assure le transport en sens inverse, vers l’extrémité (-)
des MT. Elle est associée à un complexe multiprotéique de dynactine
comprenant un filament d’Arp1 apparenté { l’actine.

Fonctionnement :
La fixation d’ATP sur la tête antérieure (1) tire la tête postérieure (2) vers
l’avant de 8nm. La libération d’ADP de la tête (2) et l’hydrolyse d’ATP de la
tête (1) remettent les têtes dans la même position.

Mise en place de l’appareil de Golgi
Une des principales fonctions des moteurs moléculaires dans les cellules en interphase est de
transporter et placer les organites entourés d’une membrane.
Le remodelage du réseau de MT pendant la mitose induit un remodelage de l’appareil de Golgi. La
dépolymérisation des MT par le nocodazole entraine une fragmentation de l’appareil de Golgi.
L’altération des protéines motrices altère la morphologie de l’appareil de Golgi. Si on laisse les MT se
reformer, les mini-citernes se déplacent vers le MTOC et fusionnent pour reformer le Golgi.
Dynéine associée au Cis-Golgi et Golgi médian : maintien à proximité du MTOC.
Kinésine associée au trans-Golgi : transport vers la membrane plasmique.
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Modèle d’implication des protéines motrices
dans le positionnement et la vésiculation de
l’appareil de Golgi

Régulation des moteurs moléculaires dans le mouvement des mélanosomes
La kinésine et la dynéine sont associées aux mélanosomes : ils subissent des mouvements dus à une
traction de type « lutte de corde » entre la kinésine et la dynéine, l’activité des 2 protéines motrices
permet une répartition homogène des granules dans le cytoplasme le long des MT
-
-
Mouvements centrifuges saccadés avec des
retours en arrière : la kinésine plus forte
entraîne les granules vers la périphérie de la
cellule.
Mouvements centripètes, rapides et sans àcoups quand la kinésine est phosphorylée
(inactive)
Schéma récapitulatif de la formation des MT et de leurs régulations
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II.
Les protéines associées à l’actine
En se fixant sur les microfilaments (MF) ou sur les monomères, les protéines accessoires régulent :
- La polymérisation/dépolymérisation des MF (prot nucléation/coiffe/fragmentation/stabilisation)
- Leur nombre et leur longueur
- Leur stabilisation
- Leur organisation en faisceaux ou réseaux
- Leur fragmentation/destruction
- Leur ancrage à la membrane plasmique
Dans les cellules, 40% de l’actine est sous forme non polymérisée (jusqu’{ 70% dans les plaquettes)
1) Régulation de la dynamique des MF d’actine

Les protéines de séquestration de l’actine G
La thymosine
La profiline
L’ADF/cofiline
- La Thymosine
Bloque le site de fixation de l’ATP, bloquant
l’association des monomères aux extrémités
(+) et (-) des MF d’actine.
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- La profiline
Elle accélère à la fois la polymérisation (+) et la dépolymérisation (-) des MF. Elle est impliquée dans la
nucléation et l’élongation des MF. Sa liaison aux phospholipides membranaires (PIP2) prévient la
liaison { l’actine G et la liaison { des protéines de signalisation de la membrane plasmique permet de
localiser le complexe profiline/actine G à la membrane plasmique. La profiline déplace les sous-unités
d’actine séquestré. Quand l’actine G est liée { l’ATP, elle peut se fixer sur l’extrémité (+)
Il existe une compétition entre ces deux protéines
pour se fixer { l’actine :
- Les ADF/cofilines :
Elles favorisent le désassemblage des MF d’actine en liant
l’actine { l’ADP et empêchent l’échange entre ADP-ATP. Ils
démantèlent efficacement les plus anciens MF assurant leur
renouvellement. Elles sont considérées comme des protéines
de coiffe et de fragmentation.

Substances chimiques affectant le cytosquelette d’actine
Il y a trois étapes dans la polymérisation d’actine in vitro :
- Nucléation : les monomères s’assemblent en oligomères.
- Elongation
- Equilibre : état stable avec des sous-unités entrantes et sortantes.
Cc côté (+) ATP < [sous-unités libres] < Cc côté (-) ADP
 Protéines de nucléation
Complexe Arp 2/3
Formines
Spire
Cofiline
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- Complexe Arp 2/3
Elle présente 45% d’homologie de structure avec l’actine : mime un dimère ou trimère
d’actine.
Elle coiffe l’’extrémité (-) de l’actine permettant une élongation
rapide de l’extrémité (+) et se fixe sur le côté d’un autre
filament pour édifier un réseau.
Elle est régulée par des molécules de signalisation
intracellulaire placées à la face cytosolique de la membrane
plasmique : les WASP.
- Les formines
Elles s’associent { 2 monomères d’actine et suivent l’extrémité
(+) du MF en formation.
Elles peuvent lier le complexe profiline/actine, accélérant
l’addition de monomères { l’extrémité barbue.
Plutôt impliquées dans la formation des faisceaux (câbles)
d’actine.
- Les Spires
Elles se lient { 4 monomères d’actine pour former un tétramère
longitudinal.
Comme les complexes Arp, elles restent associées { l’extrémité
(-) du filament.
Elles seraient plutôt impliquées dans le trafic des organites
cellulaires : quand il y a surexpression elles sont co-localisées
avec les membranes de l’appareil de Golgi.
- Les Cofilines
Elles peuvent induire une nucléation de l’actine si elles sont présentes en grande concentration mais
leur mécanisme d’action est inconnu.

Les protéines de coiffe
Elles stabilisent les extrémités des MF d’actine en empêchant soit l’addition soit la dissociation des
monomères, ce qui ralentit la croissance ou la dépolymérisation des MF.
La régulation du coiffage se fait par 2 voies de signalisation : le calcium et le PIP2
L’augmentation du Ca2+ active ces protéines entrainant le coiffage des MF d’actine.
L’augmentation de PIP2 décoiffe les extrémités (+), élongation des MF à la surface de la cellule.
- Gelsoline, Fragmine, Séverine :
Elles piègent le calcium et bloquent la dissociation des monomères d’actine { l’extrémité (+).
- CapZ :
Elle n’a pas une activité dépendante du calcium. Sa forte affinité pour l’actine empêche les protomères
de quitter le filament { l’extrémité (+). La plupart des MF sont coiffés par CapZ.
- Tropomoduline
L’actine musculaire est stabilisée par la tropomoduline { l’extrémité (-) et par CapZ { l’extrémité (+).
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 Les protéines de fragmentation
Elles découpent l’actine pour former de nouvelles extrémités +rôle fondamental dans l’exocytose +
intervention dans le changement de forme des plaquettes (étalement) activées avec augmentation de
[Ca2+] suivie d’une augmentation [PiP2].
4 protéines : Gelsoline, cofiline, brévine, fragmine et séverine.
Fonctionnement de la Gelsoline :
1) Changement de la conformation de la Gelsoline induite par la fixation du Ca 2+
2) dislocation du filament d’actine par la Gelsoline
3) activation des monomères d’actine libre (actine-G-ADP) qui se lient à la profiline qui les rend
disponibles à une nouvelle polymérisation  élongation rapide des MF qui vont s’organiser en
réseau  formation de lamellipodes
Activation des plaquettes sanguines :
 Les protéines de stabilisation
Tropomyosine, nébuline, caldesmone se fixent sur les côtés des MF
-
Complexe troponine/tropomyosine
La tropomyosine (40nm) se fixe sur 7 sous-unités d’actine adjacentes d’un protofilament, bloquant
l’interaction avec d’autres protéines (cache les sites de fixation)  empêche la contraction musculaire.
Elle est régulée par la tropomoduline
-
Nébuline
Protéine fibrillaire dans le muscle strié qui régule la longueur du filament en se fixant latéralement
aux MF (empêche les échanges de monomères).
-
Caldesmone
Protéine fibrillaire (75nm), dans le muscle lisse et les cellules non musculaires.
Son extrémité C-ter interagit avec l’actine et N-ter avec la myosine. Elle régule l’interaction
actine/myosine : quand [Ca2+] est basse, elle forme un complexe avec la tropomyosine et l’actine,
empêchant la myosine d’accéder { l’actine.
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2) Régulation de l’organisation des filaments dans l’espace
-
-
-
-
 En réseaux
bidimensionnel (lamellipodes) :
principalement sous la membrane
plasmique
tridimensionnel (pseudopodes)
 En faisceaux
contractiles : dans les fibres tractiles
reliant les plaques d’adhérence
(fibres de stress) et dans la ceinture
périphérique des cellules épithéliales relie les jonctions adhérentes importante pendant
contraction neurale et formation du tube neural).
Parallèles serrés : dans les microvillosités et les filopodes.
 Protéines de réticulation
Filamine, gélactine, spectrine, dystrophine …
Filamine
Protéines longues et flexibles qui relient 2 filaments
d’actine presque en angle droit formant un gel lâche.
Importante pour la formation des lamellipodes lors de la
migration cellulaire.
 Protéines de fasciculation
α-actinine, fimbrine, villine, fascine… relient les fibres en
faisceaux serrés (fimbrine) ou large (α-actinine) dans
villosités intestinales et stéréocils de l’oreille interne.

Protéines d’ancrage membranaire
Spectrine, dystrophine, ankyrine, ERM, vinculine … Elles associent les filaments à la membrane
plasmique.
Importantes pour : La forme de la cellule
Le maintien de micro-domaines protéiques membranaires
L’attachement { la matrice extra-cellulaire
Présentes dans les érythrocytes, dans les nœuds de Ranvier des neurones (maintien de la forme des
neurones et de l’accumulation des canaux sodiques), dans les muscles
3) Voies de signalisation impliquées dans les réarrangements du cytosquelette
d’actine
Elles modulent l’activité des protéines responsables de la forme et la fonction du cytosquelette
d’actine (membres de la famille Rho ou de la superfamille Ras, des GTPases qui contrôlent les
processus en passant d’un état actif GTP-lié à un état inactif après hydrolyse).
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Micro-injection de Rho-GTP dans des fibroblastes  assemblage de fibres de stress et formation de
contacts focaux.
Micro-injection de Cdc42  de nombreux filopodes forment des contacts adhésifs avec le support,
augmente la nucléation
Micro-injection de rac- GTP  formation d’un énorme lamellipode délimitant toute la circonférence
de la cellule.
4) Les moteurs moléculaires associés à l’actine : les myosines
20 classes de myosines structurellement et fonctionnellement différentes.
Composées de chaînes lourdes et légères sous forme monomérique ou dimérique.
Elles utilisent l’énergie de l’hydrolyse d’ATP pour se déplacer vers l’extrémité (+)
des MF d’actine.
Fonctions principales :
- Contraction musculaire (myosine II)
- Migration cellulaire et adhésion
- Trafic membrane : endocytose/exocytose
- Transport intracellulaire
- Localisation des organelles, protéines, ARN
Sans ATP, la myosine s’attache fortement { l’actine comme c’est le
cas dans la rigidité cadavérique.
 Voir cycle des ponts pour le mécanisme de déplacement de la
myosine sur le MF d’actine, commun { toutes les myosines.
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La myosine II
Sous forme de dimères grâce au super enroulement de la queue des chaines lourdes : les queues de
plusieurs dimères se fasciculent pour former des filaments épais bipolaires contenant plusieurs
centaines de têtes de myosine orientées dans des directions opposées.
C’est la présence de Ca2+ qui permet l’interaction entre la myosine et l’actine. Sans calcium, la
tropomyosine gène cette interaction puis la troponine favorise l’écartement de la tropomyosine grâce
au Ca2+.
Elle a également une activité contractile dans les cellules non musculaires (fibre de stress dans
fibroblaste, anneau contractile de la cytodirèse dans une amibe, ceinture périphérique dans des
cellules épithéliales.
Myosine I
- Implication dans la formation de protrusions membranaires
- Transport d’endosomes et vésicules Golgiennes
Myosine V
- Transport de mélanosomes (dispersion dans les mélanophores)
Lysosomes, endosomes
Vésicules Golgiennes
RE
Vésicules de sécrétion
- Présente dans système nerveux : importante dans la transmission de signaux nerveux
- Associée aux granules de sécrétion d’insuline dans les cellules beta MIN-6
5) Implications des MF d’actine dans la formation des lamellipodes dans la
migration cellulaire
12345-
Adhérence
Extension membranaire = protrusion du lamellipode
Nouvelle adhérence
Translocation du corps cellulaire
Contraction et décollement des points focaux
postérieurs
6) Pathologies associées au cytosquelette
d’actine
- Musculaire : myopathie de Duchenne _ mutation de
l’expression de la dystrophine
- Sanguine : elliptocytosis, sphenocytosis _ modification de la
forme des erythrocytes suite a des mutations affectant les
genes codant pour des spectrines ou ankyrines.
- Motilite Cellulaire : mort prématurée du fœtus,
disfonctionnement des cellules immunitaires
- Infectieuses : listerioses, shigelloses, ou dysenteries.
- Sensorielles et neuro-dégénérative : surdite, cecite, troubles
moteurs
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