Le Cytosquelette - Cours - PDF

CHAPITRE 6 : LE CYTOSQUELETTE FICHE DE COURS Microfilaments (MF) ou Microtubules (MT) Filaments intermédiaires Filaments d’actine...

CHAPITRE 6 : LE CYTOSQUELETTE FICHE DE COURS Microfilaments (MF) ou Microtubules (MT) Filaments intermédiaires Filaments d’actine (FI) Diamètre 6-8 nm 25 nm 8-10 nm /!\ Les FI sont spécifiques des eucaryotes pluricellulaires 1 Protéine fibreuse en Monomère : Actine = tubuline hétérodimérique : hélice ⍺ avec extrémités protéine globulaire, une 2 polypeptides α et 𝛽 COOH et NH2 terminal des protéines les + Unité de base protéine globulaire variables. abondantes dans les liaison du GTP échangeable cellules eucaryote = 5% à sur 𝛽 Assemblage de 2 protéines 20% parallèlement → dimère Assemblage de 2 dimères anti-parallèlement → tétramère = unité de base Fine hélice d’actines 13 protofilaments = 1 Association de plusieurs globulaires uniformément Microtubule tétramères (2 dimères = 4 orientées ⇒ polarisation 1 protofilament = monomères) → La longueur totale des MF assemblage régulier protofilaments ⇒ filaments dans une cellule est 30 fois d’hétérodimères de intermédiaires supérieure à celle des MT tubuline Structure centre organisateur des microtubules (COMT) = centrosome = 1 à 2 diplosomes Diplosome = paire de centrioles © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. Sauf autorisation, la vente, la diffusion totale ou partielle de ce polycopié sont interdites 72  Microfilaments (MF) ou Microtubules (MT) Filaments intermédiaires Filaments d’actine (FI) Actine α présente dans les Tubulines α et β qui Famille hétérogène : + de cellules musculaires. forment des dimères qui 50 gènes !!! constituent les MT, β lie le GTP ou le GDP 4 familles de filaments : actine β et actine γ - cytokératines (cellules retrouvées dans des épithéliales) : forment cellules non musculaires. toujours des hétérodimères Tubulines γ qui forment (type I acide, type II neutre/ l’amorce des MT lors de la basique) nucléation, en contact avec - Vimentine et protéines le COMT apparentées : vimentine, desmine(dans les muscles), GFAP (dans le SN) et Classes périphérine (dans neurones) → capables de polymériser entre elles - Neurofilaments : NF-L, NF-M et NF-H (assure résistance axone/dendrite) - Lamines nucléaires : lamines A,C ⇒ LMNA lamine B ⇒ LMNB1/LMNB2 Les 3 premières sont cytoplasmiques, la dernière est nucléaire. Oui Oui Non (antiparallèle) pôle + : vitesse pol° >>> pôle + : croissance rapide vitesse dépol° vitesse de pol° >>> vitesse Polarisation pôle - : vitesse pol° = de dépol° vitesse dépol°(faibles et pôle - : croissance lente identiques) © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. Sauf autorisation, la vente, la diffusion totale ou partielle de ce polycopié sont interdites 73  Microfilaments (MF) ou Microtubules (MT) Filaments intermédiaires Filaments d’actine (FI) Transports (vésicules, organites, ARN …) Régulation des contraintes Forme cellulaire (microvillosités, flagelle, cil) mécaniques/Résistance Mouvements cellulaires : Organisation cellulaire des (protéines fibreuses → assemblage d’actine en organites glissement relatif sans filopodes sur front de Rôle de soutien rupture ⇒ haute migration, puis résistance) lamellipodes, fibres de Mitose : formation fuseau tension, contraction, mitotique Maintien de l’architecture désassemblage, cellulaire par liaison aux propulsion (ex : « queue Cils et flagelles axonème et éléments du cytosquelette d’actine » de la bactérie cinétosome (grâce à la plectine par ex) listeria) LABILITÉ = FONCTION Endosquelette Signalisation : transcellulaire Rôle GTPases famille Rho : cohésion des tissus - cdc42 : filopodes (desmosomes, - Rac : lamellipodes hémi-desmosomes) - Rho : fibres de organisation cellule et tension tissus (épithéliums) Endocytose (via Arp2/3) ⇒ Les plus résistants des 3 Contraction musculaire uniquement actine α dans les muscles Maintien de la forme cellulaire : Cohésion cellulaire Cytodiérèse Nucléotide ATP GTP / Actine purifiée + Mg2+ + Tubuline purifiée + GTP + ATP Mg2+ + 37°C : nucléation → Assemblage → 3 étapes : Nucléation (= allongement → équilibre → In vitro initiation de la Hydrolyse du GTP de la polymérisation) → coiffe en GDP → Polymérisation → Équilibre Dépolymérisation © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. Sauf autorisation, la vente, la diffusion totale ou partielle de ce polycopié sont interdites 74  Microfilaments (MF) ou Microtubules (MT) Filaments intermédiaires Filaments d’actine (FI) Médiée par Arp ⅔ : Phase la plus lente 1 protéine fibreuse (hélice Signaux extracellulaires → 𝜶) → 2 protéines (dimère) Récepteurs membranaires À partir d’un COMT parallèles → 2 dimères → activation du complexe (centrosome) = centrioles + antiparallèles (tétramère) Arp 2/3 → se branche en matériel péricentriolaire → « Y » (angle de 70°) par formation d’un anneau de l’extrémité (-) sur des MF tubuline 𝛾 = socle (pôle -) préexistants Formation de courts cytokératine = Nucléation protofilaments instables → hétérodimères de CK I+CK II Médiée par les formines : association des = association Domaine FH1 fixe le protofilaments en amorce monomères complexe actine/profiline de MT stable Domaine FH2 fixe l’actine Allongement du MT par Domaine régulateur fixant ajout de tubuline au pôle + les GTPases de la famille Rho Liaison des formines au niveau du pôle + (contrairement à Arp 2/3) Avec Arp ⅔ : = allongement du MT par Plusieurs tétramères → FI Élongation par ajout ajout de molécules de d’actine-ATP libre ou tubuline au niveau du pôle Assemblage contrôlé par la associée à de la profiline → + déphosphorylation de branches en Y à 70° résidus sérine/thréonine In vivo le pôle - est stabilisé côté NH2. Avec les formines : par un centriole Inversement, la Polymérisation Élongation par ajout phosphorylation → In vivo d’actine (même principe) dépolymérisation. → MF parallèles MAIS en fonction du type de GTPase Polypeptides ouverts qui lie le domaine dynamiques (contrairement régulateur des formines : aux MT et MF) = ajout ou soit fibres de stress (Rho), libération de molécules au soit filopodes (cdc42). sein du FI (et pas seulement aux extrémités) © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. 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Présente que si Arp 2/3 est Stabilité des MTs par absente. association avec des protéines stabilisantes : les Stabilisation - Tropomyosine se fixe MAPs et Tau latéralement et protège le MAP2 stabilise MT MF de la fragmentation par MAP4 stabilise amorce 𝛾 la cofiline MAP phosphorylé→- stable Tau favorise la polymérisation et la bonne structure des MT, Si Tau trop phosphorylé = signe d'Alzheimer Coiffe ATP Coiffe GTP / Pôle + Pôle - Tropomoduline ou Arp2/3 COMT et tubuline 𝛾 / Cofiline et Gelsoline (avec Protéines déstabilisantes = Phosphorylation Ca2+) promotrices de la dépolymérisation : Op18 : augmente vitesse d’hydrolyse du GTP Aucun effet sur les analogues non-hydrolysables de la tubuline MCAK (kinésine de la Déstabilisation famille Kin I) : dépolymérisation directe en induisant des changements conformationnels Peut dépolymériser des analogues non-hydrolysables de la tubuline car pas d’étape d’hydrolyse → casse la coiffe GTP sans passer par l’hydrolyse © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. Sauf autorisation, la vente, la diffusion totale ou partielle de ce polycopié sont interdites 77  Microfilaments (MF) ou Microtubules (MT) Filaments intermédiaires Filaments d’actine (FI) - anneau contractile lors de Interphase : centrosome et la cytodiérèse (mitose) réseau Maintien de l’architecture Mitose : fuseau mitotique cellulaire par liaison aux - fibres contractiles avec et pôles éléments du cytosquelette ⍺-actinine (fibres de (Plectine) tension) au niveau des Cils et flagelles : contacts focaux, ceintures axonème : 9 doublets de d’adhérence… MT + 2 MT centraux + dynéine ciliaire - structures de migration : filopodes et lamellipodes Cinétosome : 9 triplets de (prolongements MT 150nm de diamètre membranaires 450nm de long temporaires) Organisation Mouvement permis par cellulaire - ceinture d’actine des dynéine ciliaire ceintures d’adhérence (embryogenèse et /!\ dans les triplets et plasticité) doublets périphériques seul le MTa comporte 13 - microvillosités protofilaments, les autres (prolongements (MTb et MTc) sont membranaires incomplets permanents) En revanche les 2 MT centraux sont complets. - Réseau tridimensionnel déformable → grâce à la filamine = gel d’actine au niveau du cortex sous-membranaire Protéines d’assemblage : Protéines de liaisons → Les FI s’associent surtout - les filamines → gel organisation cellulaire → entre eux d’actine morphologie et répartition - l’𝜶-actinine → faisceaux des organites d’actine peu denses avec Protéines myosine II permettent la d’association contraction ⇒ fibres de tension - la fimbrine → faisceaux d’actine très denses sans myosine ⇒ microvillosités, filopodes, lamellipodes © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. Sauf autorisation, la vente, la diffusion totale ou partielle de ce polycopié sont interdites 78  Microfilaments (MF) ou Microtubules (MT) Filaments intermédiaires Filaments d’actine (FI) Les contacts focaux permettent à l’actine de Ancrage membranaire : Protéines tirer la cellule sur son desmosomes et d’ancrage support → ancrent les hémidesmosomes transmembra- fibres de tension à la MEC naires par le récepteur à la fibronectine (intégrine) Les myosines : protéines 2 classes de protéines Pas de protéines motrices motrices (ATPases) motrices ATPases : associées → la majorité se déplace - les dynéines : de la vers le (+) des MF périphérie vers le centre → myosines - les kinésines : conventionnelles (classe II) - kin N : du centre et non-conventionnelles vers la périphérie (16 classes) - kin C : de la Protéines périphérie vers le motrices Non conventionnelles : Centre déplacement, transport - /!\ kin I : pas vésiculaire (myosine en d’activité motrice monomères ou dimères) (protéine Conventionnelles : déstabilisante) contraction des faisceaux ⇒ transport des organites, d’actine, dimère de complexes protéiques, myosine II antiparallèles ARNm… Domaines Moteurs ATPasiques (têtes) + chaînes lourdes (motrices) + chaînes légères (fixation cargaison) - Inhibiteur polymérisation : Poison colchicine, vinblastine - stabilisation : taxol I. Microtubules Tubuline γ : Nucléation des MT → permet la mise en place des 13 protofilaments et le début de la polymérisation. Présente au niveau des COMT (centres organisateurs des microtubules). 1) Protéines stabilisantes MAPs : protéines stabilisantes ne pouvant se lier qu’après maturation de la tubuline - haut poids moléculaire : MAP-1, MAP-2… - MAP-4 : rôle majeur dans la sauvegarde de l’amorce - Inactivées par phosphorylation © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. 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Effet sur les analogues non-hydrolysables de la tubuline. 3) Protéines motrices Dynéines : - 2 chaînes lourdes (activité motrice ATPasique), - 10aine de chaînes légères (aspect multifonctionnel), - nécessite un cofacteur → la dynactine pour lier les cargaisons. Rôles : - transport axonal rétrograde (de l’extrémité de l’axone vers le centre cellulaire), - maintien du positionnement de l’appareil de Golgi, - mise en place des fuseaux mitotiques. Kinésines : - tétramère : 2 chaînes lourdes (motrices) et 2 chaînes légères (régulatrices, pour cargaisons) 3 classes de kinésines : - Kinésine C : domaine moteur en COOH terminal, transport rétrograde (vers -) vers centrosome (pensez C comme Centre) - Kinésine N : domaine moteur en NH2, transport antérograde (vers +) vers MP - Kinésine I (pas motrice celle-ci !) : protéines déstabilisantes Fonctionnement : liaison aux MT au niveau de la sous-unité 𝛃 de la tubuline → 1 déplacement = une molécule d’ATP consommée = distance égale à 2 sous-unités 𝛃 Très rapide ≃ 5μm/s 4) Les centres organisateurs des MT (COMT) Centrosome : Organite non-membranaire situé à proximité du noyau Il est composé : - En phase G1 : 2 centrioles perpendiculaires entre eux (1 diplosome) + matériel péricentriolaire, - En phase S : duplication des centrioles, - En phase G2 : 4 centrioles (2 diplosomes) + matériel péricentriolaire. Centriole = cylindre creux formé par 9 triplets de MT (a, b, c) reliés par des ponts protéiques a-c (b et c partagent des protofilaments et sont donc incomplets contrairement à a) Matériel péricentriolaire = zone dense et amorphe, riche en tubulines 𝜶, 𝜷, et 𝜸 © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. Sauf autorisation, la vente, la diffusion totale ou partielle de ce polycopié sont interdites 80  5) Les cils et flagelles Les cils et flagelles sont constitués par un assemblage de MT : - l’axonème : formé par 9 doublets de MT périphériques + 2 MT complets centraux - le cinétosome : formé par 9 triplets de MT périphériques Leur mouvement est assuré par la dynéine ciliaire = complexe moléculaire de 9 à 12 chaînes polypeptidiques. II. Microfilaments (MF) 1) Généralités Actine : protéine la plus abondante dans les cellules eucaryotes : 5% à 20% → elle peut former des structures labiles ou stables. 3 classes : α (dans les cellules musculaires), β et γ (dans les cellules non-musculaires) 3 structures créées à partir de MF (avec 2 sortes de nucléation : complexe Arp2/3 ou Formines) : - Gel d’actine (actine + filamine) - Fibres contractiles (actine + α-actinine) - Prolongements membranaires temporaires ou permanents (actine + fimbrine) 2 sortes de nucléation : Complexe Arp2/3 : Arp2/3 se fixe à l’extrémité (-) d’un MF déjà existant et initie une polymérisation organisée en réseau d’actine branché en « Y » (70°). Formines : complexe dimérique formant un réseau non réticulé (faisceaux) à partir de l’extrémité (+) (FH1 : liaison actine + profiline ; FH2 : nucléation de l’actine). Rho : GTPases impliquées dans la signalisation. Inactive quand elle est liée au GDP. Elle devient active grâce aux facteurs de croissance et est donc liée au GTP. Elle permet de modifier l’organisation de l’actine → mouvement cellulaire. - Cdc42 : Filopodes - Rac : lamellipodes (+ phagocytose et jonctions d’adhérence) - Rho : fibres de tension, contacts focaux Formines : 3 domaines : - FH1 : lie le complexe actine-profiline - FH2 : lie l’actine ATP par son extrémité +.. - Domaine régulateur liant les GTPases. 2) Protéines stabilisantes Cap Z : protéine stabilisante stoppant la polymérisation, en se fixant sur l’extrémité +. Tropomyosine : Protéine stabilisante se fixant latéralement aux MF, protège contre la fragmentation par la cofiline. Tropomoduline : Protéine stabilisante qui coiffe l’extrémité (-) lorsque Arp 2/3 est absente et empêche ainsi la dépolymérisation. © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. Sauf autorisation, la vente, la diffusion totale ou partielle de ce polycopié sont interdites 81  3) Protéines déstabilisantes Gelsoline : protéine déstabilisante, activée par le Ca2+. Empêche la polymérisation par fixation sur l’extrémité (+) et dépolymérisation au niv. de l’extrémité (-) ⇒ liquéfaction du gel d’actine par dépolymérisation. (notamment après phagocytose pour fusionner vésicules) Cofiline : protéine déstabilisante se liant à l’extrémité - des MF riches en actine-ADP. Pour ne pas confondre Cofiline et Profiline, penser que la Cofiline Casse et la Profiline Promeut la polymérisation. 4) Protéines d’assemblage Filamines : protéines d’assemblage (réticulation), formant des réseaux tridimensionnels déformables = gel d’actine. α-actinine : protéine d’assemblage (Fasciculation), donnant des faisceaux d’actine peu denses (dans lesquels la myosine II peut s’insérer) = fibres de tension. Fimbrine : protéine d’assemblage (Fasciculation), donnant des faisceaux d’actine très denses (empêchent la myosine de s’insérer) = microvillosités, filopodes et lamellipodes. 5) Protéines motrices Myosines : 17 classes dans les cellules eucaryotes. 2 chaînes lourdes et nombre variable de chaînes légères. Protéines motrices ATPasiques : - Myosines conventionnelles (classe II) dans les structures contractiles (fibres de tension, ceintures d’adhérences, muscles) → déplacement vers le pôle + (antérograde). - Myosines non-conventionnelles (16 classes) → déplacement vers le pôle + de cargaisons variées. 6) Protéines d’ancrage membranaire Molécules intermédiaires (vinculine, paxilline, taline). Molécules transmembranaires (récepteur à la fibronectine de la famille des intégrines). Ancrage à la fibronectine de la MEC. III. Filaments intermédiaires (FI) 1) Généralités Spécifiques des eucaryotes PLURICELLULAIRES. Très diversifiés (+ de 50 gènes). Polypeptides fibreux : tétramères non polarisés (dimère → parallèle ; tétramère → anti-parallèle). Trois domaines : α (au milieu) ~ hélice constante et fibreuse + NH2 et COOH = extrémités variables globulaires qui définissent la spécificité. Un filament intermédiaire = plusieurs protofilaments → un protofilament = plusieurs tétramères Les FI sont des polymères « ouverts », c’est-à-dire que les molécules peuvent s’ajouter au sein du FI, pas seulement aux extrémités (contrairement aux MT et MF). © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. Sauf autorisation, la vente, la diffusion totale ou partielle de ce polycopié sont interdites 82 Assemblage = déphosphorylation de sérine/thréonine à l’extrémité NH2. Dépolymérisation = phosphorylation. 4 familles : - Cytokératines - Vimentine et protéines apparentées - Neurofilaments - Lamines 2) Cytokératines Famille la plus riche (20aine différentes), spécifique de l’épithélium et des annexes épidermiques (cheveux, poils, ongles). 2 types : acides (type I) et neutres-basiques (type II) Forment toujours des hétérodimères (1 acide + 1 neutre-basique). Spécifiques des différentes cellules épithéliales → permet donc le diagnostic. Permet aussi de déterminer l’origine d’une tumeur car chaque cytokératine est spécifique d’un type de cellule épithéliale. Pathologie : l’épidermolyse bulleuse simple due à une mutation d’un gène → cytokératine anormale. 3) Vimentine et protéines apparentées Vimentine : la + répartie. Retrouvée dans les cellules d’origine mésodermique et associée aux kératines dans les cellules épithéliales pendant l’embryogénèse. Desmine : surtout dans les cellules musculaires. GFAP : filaments gliaux dans SNC et SNP Périphérine : spécifiquement dans les neurones 4) Neurofilaments 3 types : NF-L, NF-M, NF-H (Low, Medium, High). Dans les axones et les dendrites pour assurer leur résistance. 5) Lamines Spécifiques du noyau et sous la membrane nucléaire. Présentes dans toutes les cellules nucléées sous la forme d’un réseau bidimensionnel uniquement interrompu par les pores nucléaires. Portent un signal de localisation nucléaire NLS. 2 types : A et C qui résultent de l’épissage alternatif du gène LMNA, B codée par les gènes LMNB1 et LMNB2. Le type B est le seul à posséder un site de farnésylation fonctionnel, les lamines A et C ont donc besoin de l’ancrage préalable de B pour être incluses dans la lamina. Pathologie : mutations ponctuelles du gène LMNA → responsables de maladies comme la Progéria, de maladies musculaires, cardiaques et aussi de lipodystrophies (au moins 8 pathologies en lien). 6) Autres Plectine : molécule de la famille des plakines qui permet la liaison des FI aux autres éléments du cytosquelette. © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. Sauf autorisation, la vente, la diffusion totale ou partielle de ce polycopié sont interdites 83 IV. Pathologies Pathologies associées aux : - Filaments intermédiaires : épidermolyse bulleuse simple causée par une mutation des cytokératines ; la Progéria causée par une mutation du gène LMNA (des lamines). - Microtubules : Tauopathies, maladies neurodégénératives (dont la maladie d’Alzheimer) provoquée par l’accumulation d’agrégats intracellulaires de protéines tau hyperphosphorylées dans les neurones. © Tous droits réservés au Tutorat Associatif Toulousain. 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