UE 3 Cytosquelette PDF

Le Cytosquelette Biologie cellulaire PASS F. Marguet Cours des 23 et 27.11.2023 Justification de l’existence du cytosquelette • Organisation des cellules dans l’espace • Interaction mécanique entre-elles et avec l’environnement • Toutes les cellules – Forme – Robustesse physique – Structure int...

Le Cytosquelette Biologie cellulaire PASS F. Marguet Cours des 23 et 27.11.2023 Justification de l’existence du cytosquelette • Organisation des cellules dans l’espace • Interaction mécanique entre-elles et avec l’environnement • Toutes les cellules – Forme – Robustesse physique – Structure interne cytosquelette permet/ implique • Certaines – Changement de forme – Déplacement • Au cours de leur croissance, division, adaptation à l’environnement : – Réorganisation de leurs composants internes 3 familles de protéines des filaments 1) Filaments d’actine (microfilaments) 2) Microtubules 3) Filaments intermédiaires élement du cytosquelette Introduction : le cytosquelette • Cellule en culture fixée et marquée – Réseau de microtubules en vert – Filaments d’actine en rouge – ADN en bleu irradie tout le cytoplasme Introduction : le cytosquelette • Cellule en cours de division – Microtubules du fuseau en vert – Cage de filaments intermédiaires en rouge – ADN en bleu = protection PLAN I. II. III. IV. Fonction et origine du cytosquelette Filaments d’actine Microtubules Filaments intermédiaires FONCTION ET ORIGINE DU CYTOSQUELETTE • Les 3 principaux filaments du cytosquelette sont responsables • des différents aspects de l’organisation spatiale • des propriétés mécaniques de la cellule • Actine • Forme de la surface de la cellule • Nécessaire pour la locomotion de la cellule • Cytodiérèse après séparation de la cellule en 2 • Microtubules • Position des organites à membranes • Transport intracellulaire • Fuseau mitotique • Filaments intermédiaires • Force mécanique Les filaments du cytosquelette s’adaptent pour former des structures stables ou dynamiques (actine) FILAMENTS D’ACTINE Les filaments d’actine (également connus sous le nom de microfilaments) sont des polymères hélicoïdaux de la protéine actine. Ce sont des structures flexibles de 8 nm de diamètre qui peuvent s’organiser • en différents types de faisceaux linéaires, • en réseau à 2 dimensions • et en gel à 3 dimensions. Bien que les filaments d’actine soient dispersés dans toute la cellule, c’est dans le cortex qu’ils sont le plus concentrés juste sous la membrane plasmique. i. Filament d’actine isolé ii. Microvillosités iv. Muscle strié Filaments d’actine • S'étendent sous la membrane plasmique des cellules animales • Donnent de la force et sa forme à la fine bicouche lipidique • Forment également de nombreux types de projections de la surface cellulaire microvillosité, élément de surface Les filaments du cytosquelette s’adaptent pour former des structures stables ou dynamiques (microtubules) MICROTUBULES Les microtubules sont de longs cylindres creux constitués de la protéine tubuline. Avec un diamètre externe de 25 nm ils sont beaucoup plus rigides que les filaments d’actine. Les microtubules sont longs et rectilignes et ont souvent une extrémité attachée à un Centre Organisateur de MicroTubule (COMT) appelé centrosome. alpha et bêta tubuline axonème = organisation particulière des microtubule dans les cils => triplet de microtubule i. Microtubule isolé ii. Coupe transversale de la base de trois cils montrant les triplets de microtubules Microtubules • Forme souvent un réseau cytoplasmique qui se projette vers la périphérie de la cellule • Fuseau mitotique • Réorganisation bipolaire rapide des MT pendant la division cellulaire • Cils • Fonctionnent comme des fouets en mouvement • Faisceaux alignés et serrés • qui servent de voie pour le transport de matériel le long des axones Les filaments du cytosquelette s’adaptent pour former des structures stables ou dynamiques (filaments intermédiaires) FILAMENTS INTERMÉDIAIRES Les filaments intermédiaires sont des fibres ressemblant à des cordes avec un diamètre d’environ 10 nm. Il sont constitués de protéines des filaments intermédiaires qui constitue une grande famille hétérogène. Un type de filament intermédiaire forme un réseau appelé la lamina nucléaire juste au-dessous de la membrane nucléaire interne. D’autres types traversent le cytoplasme donnant aux cellules de la force mécanique. Dans un tissu épithélial ils traversent le cytoplasme d’une jonction cellule-cellule à une autre renforçant ainsi tout l’épithélium. i. ii. iii. iv. Filaments intermédiaires isolés Filaments intermédiaires (en bleu) dans des neurones et dans des cellules épithéliales Lamina nucléaire Filaments intermédiaires • Tapissent la face interne de l’enveloppe nucléaire : cage de protection pour l’ADN de la cellule • Tressés en câbles solides  maintien des cellules épithéliales entre-elles • Axones longs et robustes • Cheveux et ongles Organisation du cytosquelette dans les cellules épithéliales polarisées Tous les composants du cytosquelette coopèrent pour donner leur forme aux cellules spécialisées dont les cellules épithéliales qui limitent l’intestin grêle. Au pôle apical face à la lumière intestinale, des faisceaux de filaments d’actine (en rouge) forment des microvillosités qui augmentent la surface d’absorption des nutriments de nourriture par la cellule. Au-dessous des microvillosités une bande circonférentielle de filaments d’actine est reliée aux jonctions adhérentes cellulecellule qui arriment les cellules les unes aux autres Des filaments intermédiaires (en bleu) Sont arrimés à d’autres sortes de structures adhésives dont les desmosomes et les hémidesmosomes qui unissent les cellules épithéliales en une couche robuste et les attache à la matrice extracellulaire sousjacente Les microtubules (en vert) s’étendent verticalement de haut en bas dans la cellule et fournissent un système coordonné global qui permet à la cellule de diriger les nouveaux produits de synthèse vers leur site propre Comparaison actine, tubuline, filaments intermédiaires Actine Tubuline Filaments intermédiaires Comparaison actine tubuline filaments intermédiaires Sous-unités compactes et globulaires Sous-unités allongées et fibreuses Assemblage hélicoïdal de sous-unités qui s’auto-associent • soit par liaison extrémité — extrémité • Soit par liaison côte à côte 15 Modes de régulation des filaments du cytosquelette • Il existe des centaines de protéines accessoires qui déterminent la distribution spatiale et le comportement dynamique des filaments • Via les voies de signalisation qui véhiculent l’information qui agit sur l’action du cytosquelette Présentation des moteurs protéiques • Protéines de liaison au cytosquelette • Utilisent l’énergie fournie par des cycles répétés d’hydrolyse d’ATP pour se déplacer sur le filament • Il en existe des douzaines dans chaque cellule eucaryote • Se lient à un filament polarisé du cytosquelette pas de moteur protéique sur les filaments intermédiaires car non-polarisé Spécificité des moteurs protéiques • Type de filament auquel ils se lient – Actine ou – Microtubule • La direction de leur mouvement le long du filament • Leur « cargo » = la charge qu’ils transportent – Organites à membrane • Mitochondries • Citernes golgiennes • Vésicules sécrétoires Rôle des moteurs protéiques • Transport des cargos vers leur localisation appropriée dans la cellule • Tension des filaments • Glissement l’un sur l’autre • Génération de force – Contraction musculaire – Battement ciliaire – Division cellulaire Façon dont une protéine peut marcher dans une direction Façon dont une protéine peut marcher dans une direction Visualisation directe de la marche d’une protéine motrice de myosine par microscopie à force atomique à haute vitesse Il y a moins de 0,5 seconde entre deux étapes PLAN I. II. III. IV. Fonction et origine du cytosquelette Filaments d’actine Microtubules Filaments intermédiaires Actine • Sous-unité ou monomère d’actine G • Polypeptide de 375 acides aminés • Porte une molécule d’ATP ou ADP étroitement liée • Extraordinairement conservée parmi les eucaryotes • Présente en forte concentration dans presque toutes les cellules eucaryotes Structure d’un monomère d’actine Le monomère d’actine possède un nucléotide (ATP ou ADP) enfoui dans une profonde fente au centre de la molécule Structure d’un filament d’actine Arrangement des monomères dans un filament consistant en 2 protofilaments maintenus ensemble par des contacts latéraux qui s’enroulent l’un autour de l’autre comme 2 brins parallèles d’une hélice avec un pas de 37 nm Toutes les sous-unités du filament ont la même orientation - + Structure d’un filament d’actine Photo de microscopie électronique en coloration négative d'un filament d’actine ÉVOLUTION DE LA POLYMÉRISATION EN FONCTION DU TEMPS L’assemblage d'une protéine en un long polymère hélicoïdal comme le filament d’actine du cytosquelette montre généralement l'évolution suivante en fonction du temps Time → La phase de latence correspond au temps nécessaire à la nucléation. La phase de croissance se produit lorsque les monomères s'ajoutent sur les extrémités exposées du filament en croissance et provoquent l'élongation du filament. La phase d'équilibre : l’équilibre entre croissance (assemblage des monomères et décroissance (désassemblage des monomères) est atteint Évolution en fonction du temps de la polymérisation de l'actine dans un tube à essai (A) La polymérisation de sous-unités d’actine pure survient après une phase de latence NUCLÉATION NUCLÉATION : deux molécules d'actine s'unissent relativement faiblement l'une à l'autre, mais l'addition d'un troisième monomère d'actine pour former un trimère stabilise l'ensemble du groupe. L’addition de monomères supplémentaires peut s'effectuer sur ce trimère, qui agit donc comme un noyau de polymérisation. L’assemblage d'un noyau est relativement lent, ce qui explique la phase de latence observée pendant la polymérisation. EXTRÉMITÉS PLUS ET MOINS EXTRÉMITÉS PLUS ET MOINS Les deux extrémités d'un filament d'actine se polymérisent à des vitesses différentes. L’extrémité à croissance rapide est appelée extrémité plus tandis que l'extrémité à croissance lente est appelée extrémité moins. La différence de vitesse de croissance aux deux extrémités est liée à des modifications de la conformation de chaque sous-unité lorsqu'elle entre dans le polymère. - + NB : les filaments d’actine subissent aussi un dynamisme dû à l’hydrolyse de l’ATP lié (voir pour plus de détails le dynamisme des microtubules et l’hydrolyse du GTP) État de treadmilling en équilibre phase d'équilibre • L’allongement du filament à l’extrémité plus • Équilibre exactement le raccourcissement à l’extrémité moins • Dans ces conditions les sous-unités subissent un recyclage rapide entre l’état sous-unité et l’état filamenteux • Alors que la longueur totale du filament ne change pas Treadmilling (tapis roulant) = « vissage par vis sans fin » Si on maintient un monomère central fixe, l’ensemble de la chaine semble se déplacer. Les monomères quittant l’extrémité moins reviennent se fixer à l’extrémité plus. Ce processus permet la réalisation d’un moteur moléculaire permettant à certaines cellules de se déplacer au moyen d’un lamellipode. Principales protéines associées au cytosquelette d’actine assemblage à connaître rattache les filaments à la MP Protéines associées au cytosquelette d’actine Résumé Thymosine Profiline Arp 2/3 Formine Tropomyosine Protéines de coiffage (Cap Z) Tropomoduline Gelsoline Cofiline Fimbrine -Actinine Filamine Spectrine Famille ERM Myosine Protéine motrice Voir le cours sur le tissu musculaire Résumé 1 de 3 • L’actine est une protéine du cytosquelette hautement conservée présente en forte concentration dans presque toutes les cellules eucaryotes • La nucléation est une barrière cinétique à la polymérisation de l’actine • Mais une fois faite, les filaments d’actine subissent un dynamisme dû à l’hydrolyse de l’ATP lié • Les filaments d’actine sont polarisés et peuvent subir le phénomène du tapis roulant quand un filament s’assemble à l’extrémité plus en même temps qu’il se dépolymérise à l’extrémité moins Résumé 2 de 3 • Dans les cellules la dynamique du filament d’actine est régulée à chaque étape • et les différentes formes et fonctions de l’actine sont sous la dépendance d’un catalogue polyvalent de protéines accessoires • Environ la moitié de l’actine est maintenue sous forme monomérique grâce à l’association à des protéines de séquestration comme la thymosine • Des facteurs de nucléation comme le complexe Arp 2/3 et les formines organisent la formation de filaments ramifiés et parallèles • Les interactions entre les protéines • peuvent ralentir ou accélérer la cinétique de l’assemblage et du désassemblage du filament – qui lient ou coiffent les filaments d’actine et – celles qui cassent ou dépolymérisent le filament Résumé 3 de 3 • D’autres protéines accessoires assemblent les filaments en structures plus grosses en établissant des liaisons croisées entre les filaments de façon géométrique • Les connections entre ces réseaux d’actine et la membrane plasmique des cellules lui donnent une force mécanique et permet l’élaboration de structures corticales comme les lamellipodes, les filopodes et les microvillosités PLAN CYTOSQUELETTE I. II. III. IV. FONCTION ET ORIGINE DU CYTOSQUELETTE FILAMENTS D’ACTINE MICROTUBULES FILAMENTS INTERMÉDIAIRES Microtubules • Structure plus complexe que celle des filaments d’actine • Mais tout aussi dynamique • Rôles aussi divers et importants • Polymère de la tubuline Tubuline • Hétérodimère • Deux protéines globulaires proches l’une de l’autre – Tubuline α – Tubuline β • 445 à 450 acides aminés • Étroitement liées par des liaisons non covalentes Structure d'un microtubule et de ses sous-unités (A) La sous-unité de chaque protofilament est un hétérodimère de tubuline, formé à partir d'une paire de monomères de tubulines α et  très solidement reliés. La molécule de GTP de la tubulineα est si solidement fixée qu'on peut la considérer comme partie intégrante de la protéine. La molécule de GTP du monomère de tubuline β, cependant, est moins solidement fixée et joue un rôle important dans la dynamique des microtubules. Les deux nucléotides sont montrés en rouge. (B) Représentation schématique d'une sous-unité de tubuline (hétérodimère α-β) et d'un protofilament. Chaque protofilament est composé de nombreuses sous-unités adjacentes de même orientation Structure d'un microtubule et de ses sous-unités (A) La sous-unité de chaque protofilament est un hétérodimère de tubuline, formé à partir d'une paire de monomères de tubulines α et  très solidement reliés. La molécule de GTP de la tubuline-α est si solidement fixée qu'on peut la considérer comme partie intégrante de la protéine. La molécule de GTP du monomère de tubuline β, cependant, est moins solidement fixée et joue un rôle important dans la dynamique des filaments. Les deux nucléotides sont montrés en rouge. (B) Représentation schématique d'une sous-unité de tubuline (hétérodimère α-β) et d'un protofilament. Chaque protofilament est composé de nombreuses sous-unités adjacentes de même orientation. Structure d'un microtubule et de ses sous-unités • Chaque protofilament est composé de nombreuses sousunités adjacentes de même orientation • Le microtubule est un tube creux rigide formé de 13 protofilaments alignés parallèlement Structure d'un microtubule et de ses sous-unités Court segment de microtubule vu en microscopie électronique Structure d'un microtubule et de ses sous-unités Photographie en microscopie électronique d'une coupe transversale d'un microtubule montrant un anneau de 13 protofilaments distincts Polarité des microtubules • Les sous-unités dans chaque protofilament d'un microtubule sont toutes orientées dans la même direction, et les protofilaments eux-mêmes sont alignés parallèlement • Le treillis du microtubule lui-même a donc une polarité structurelle distincte, avec – les tubulines  exposées à l’extrémité moins – les tubulines β exposées à l’extrémité plus Polarité des sous-unités • Comme pour les filaments d’actine l’orientation parallèle et régulière de leurs sous-unités donne aux microtubules une polarité structurale et dynamique • Extrémité plus qui s’allonge et se raccourcit plus rapidement Croissance préférentielle des microtubules à l'extrémité plus Les microtubules se développent plus vite à une extrémité qu'à l'autre. Dans ce cas, un faisceau stable de microtubules, obtenu à partir du cœur d'un cil (appelé axonème), a été incubé peu de temps avec des sous-unités de tubuline dans les conditions de polymérisation. Les microtubules s'allongent plus vite à partir de l'extrémité plus du faisceau de microtubules, située en haut sur cette microphotographie MICROTUBULES • La dynamique des microtubules (comme celle des filaments d’actine) est profondément influencée par la liaison et l’hydrolyse du GTP • L’hydrolyse du GTP ne survient que dans la sous-unité  du dimère de tubuline • Elle est très lente dans les sous-unités libres de tubuline mais elle est très accélérée quand elles sont incorporées dans les microtubules • À la suite de l’hydrolyse du GTP, le groupe phosphate est libéré et le GDP reste lié dans le treillis du microtubule  • Comme pour l’actine • Le filament peut donc se présenter sous deux types de structures différentes – une liée à la « forme T » du nucléotide (GTP) – l'autre liée à la « forme D » (GDP) L'instabilité dynamique est due aux différences structurelles entre une des extrémités du microtubule qui s'allonge, et l'autre qui se raccourcit Un microtubule en croissance présente une extrémité avec des sousunités contenant du GTP formant une coiffe de GTP. Si l'hydrolyse des nucléotides s'effectue plus rapidement que l'addition des sous-unités, cette coiffe est perdue et le microtubule commence à décroître, un événement appelé « catastrophe », Mais des sousunités contenant du GTP peuvent encore s'ajouter sur l'extrémité qui se raccourcit, et s'il y en a assez qui s'ajoutent pour reformer une nouvelle coiffe, alors le microtubule recommence à croître, un événement appelé « sauvetage » L'instabilité dynamique est due aux différences structurelles entre une des extrémités du microtubule qui s'allonge, et l'autre qui se raccourcit Modèle des conséquences structurelles de l'hydrolyse du GTP dans le réseau de microtubule. L'addition de sous-unités de tubuline contenant du GTP à l'extrémité d'un protofilament provoque la croissance de l'extrémité dans une conformation linéaire qui peut facilement se placer dans la paroi cylindrique du microtubule. L'hydrolyse du GTP après l'assemblage modifie la conformation des sous-unités et a tendance à incurver de force les protofilaments, qui sont alors moins capables de se placer dans la paroi du microtubule. L'instabilité dynamique est due aux différences structurelles entre une des extrémités du microtubule qui s'allonge, et l'autre qui se raccourcit Dans un microtubule intact, les protofilaments fabriqués à partir de sous-unités contenant du GDP sont placés de force dans une conformation linéaire par les nombreuses liaisons latérales à l'intérieur de la paroi du microtubule, en raison de la coiffe stable de sous-unités contenant du GTP. La perte de la coiffe de GTP cependant, permet aux protofilaments contenant du GDP de se relâcher dans leur conformation plus recourbée. Cela conduit à la rupture progressive du microtubule. Au-dessus des schémas d'un microtubule en croissance et en décroissance, les photographies en microscopie électronique montrent de véritables microtubules dans chacun de ces états. Notez particulièrement les protofilaments en boucles contenant du GDP, qui se désintègrent à l'extrémité du microtubule en décroissance Tubuline  • Comme la formation d’un microtubule nécessite l’interaction de beaucoup d’hétérodimères de tubuline, il faut une très forte concentration en sous-unités de tubuline pour que les microtubules se nucléent spontanément  • La nucléation des microtubules a besoin de l’aide d’autres facteurs • Alors que les tubulines α et β représentent les blocs de construction habituels des microtubules, la tubuline  est un autre type de tubuline • Présente en quantités bien moindres que les tubulines α et β, impliquée dans la nucléation des microtubules en croissance Centre organisateur du microtubule • La nucléation des microtubules part généralement d'une localisation intracellulaire spécifique, le centre organisateur du microtubule (COMT) • Riche en tubuline  Complexe en anneau de tubuline  • Dans de nombreux cas la nucléation dépend du complexe en anneau de tubuline  • Dans ce complexe, deux protéines accessoires, se lient directement à la tubuline  en même temps que plusieurs autres protéines qui facilitent la création de l'anneau en spirale de molécules de tubuline  • Qui sert de matrice pour la création d’un microtubule à 13 protofilaments Nucléation de microtubule par des complexes en anneau de tubuline  Deux copies de tubuline  associées à une paire de protéines accessoires pour former le petit complexe de tubuline  (-TuSC) Reconstitué en faisant la moyenne d'images en microscopie électronique en haut voltage de complexes isolés purifiés. TuSC =  -tubulin small complex Nucléation de microtubule par des complexes en anneau de tubuline  Sept copies de petits complexes de tubuline  dont l’association forme une structure en spirale dans laquelle la dernière tubuline  est juste derrière la première. Il en résulte l’exposition de 13 sous-unités de tubulines- disposées en cercle correspondant à la disposition des 13 protofilaments d’un microtubule. Lock washer : rondelle de frein Nucléation de microtubule par des complexes en anneau de tubuline  Dans de nombreux types de cellules, le petit complexe de tubuline  (-TuSC) s’associe à d’autres protéines accessoires pour former le complexe en anneau de tubuline  (-TuRC) qui nuclée vraisemblablement l’extrémité moins d’un microtubule comme sur la figure. Noter la discontinuité longitudinale entre deux protofilaments qui résulte de la disposition en spirale des sousunités de tubuline-. Les microtubules ont souvent une telle « soudure » cassant l’uniformité de l’empaquetage en hélice des protofilaments. Centrosomes • La plupart des cellules animales possède un COMT unique appelé centrosome • Localisé près du noyau • À partir du centrosome s'effectue la nucléation des microtubules par leur extrémité moins, de telle sorte que l'extrémité plus pointe vers l'extérieur et croît et se raccourcit continuellement sondant tout le volume tridimensionnel de la cellule • Un centrosome typique recrute plus de cinquante copies de -TuRC • De plus on trouve des molécules du -TuRC dans le cytoplasme et la nucléation du microtubule n’a pas absolument besoin des centrosomes • On a identifié des protéines qui ancrent les -TuRC au centrosome Les centrioles • Englobés dans le centrosome • Paire de structures cylindriques • Disposées à angle droit • En une configuration en forme de L Centrosome Le centrosome est le principal COMT des cellules animales. Localisé dans le cytoplasme proche du noyau, il est composé d'une matrice amorphe de protéines fibreuses auxquelles sont attachés les complexes en anneau de tubuline , qui permettent la nucléation pour la croissance des microtubules. Cette matrice est organisée par une paire de centrioles, comme cela est décrit dans le texte Centrosome avec ses microtubules fixés Un centrosome avec ses microtubules fixés. L'extrémité moins de chaque microtubule est encastrée dans le centrosome, et a poussé à partir d'un complexe en anneau de tubuline , tandis que l'extrémité plus de chaque microtubule est libre dans le cytoplasme microtubules en croissance à partir des complexes en anneau de tubuline  du centrosome Le centriole • Composé d'un cylindre en forme de tonneau de microtubules courts modifiés • Symétrie de 9 Une paire de centriole dans le centrosome Photographie en microscopie électronique d'une coupe fine de centrosome isolé montrant le centriole mère avec ses annexes distales et le centriole fille adjacent qui s’est formé par duplication pendant la phase S. Dans le centrosome, la paire de centriole est entourée d’une matrice dense de matériel péricentriolaire à partir duquel les microtubules se nucléent. Les centrioles peuvent aussi devenir des corpuscules basaux pour nucléer la formation d’axonèmes ciliaires Centriole du cortex d’un protozoaire Microscopie électronique en coupe transversale d’un centriole. Chaque centriole est constitué de 9 triplets de microtubules disposés en cylindre Centriole Chaque triplet contient un microtubule complet (le microtubule A) accolé à deux microtubules incomplets (les microtubules B et C) Protéine centriolaire SAS-6 La protéine centriolaire SAS-6 forme un dimère enroulé. Neuf dimères SAS-6 peuvent s’autoassocier pour former un anneau Localisé au centre de la structure en roue de charrette du centriole, on pense que c’est l’anneau de SAS-6 qui est à l’origine de la symétrie du centriole. Matrice péricentriolaire • Grand nombre de protéines accessoires associées au centriole • Organisé par les centrioles • Lieu de nucléation des microtubules Constance de la configuration des microtubules • Dans les cellules animales en culture, la configuration astrale des microtubules est très résistante, – les extrémités plus, dynamiques, pointant vers la périphérie de la cellule, – et les extrémités moins, stables, regroupées près du noyau • Le système des microtubules irradiant à partir du centrosome agit – comme un instrument de surveillance des régions cellulaires périphériques – et de positionnement du centrosome au centre de la cellule Explication des différences de comportement du microtubule • La dynamique des microtubules dans les cellules est sous la dépendance d’un grand nombre de protéines qui se lient – Au dimère de tubuline – Ou aux microtubules Principales protéines associées aux microtubules Les deux principaux types de protéines motrices dépendant des microtubules – Comme pour les filaments d’actine – Transport de charges – Plus d’autres fonctions dans la cellule • Kinésines • Dynéines Cycle mécano-chimique de la kinésine Exemple de la Kinésine 1 et son cycle mécano-chimique Se déplace vers l’extrémité plus Dynéines • Famille de moteurs des microtubules qui se déplacent vers l'extrémité moins • Non apparentée à la superfamille des kinésines • Elles sont composées de une, deux ou trois chaînes lourdes (qui incluent les domaines moteurs), associées à un grand nombre variable de chaînes intermédiaires et de chaînes légères • La famille des dynéines présente deux branches principales i. ii. Les dynéines cytoplasmiques Les dynéines des axonèmes ou dynéines ciliaires Dynéine cytoplasmique Schéma de la dynéine cytoplasmique avec ses deux chaines lourdes (bleu et gris) contenant leur domaines de liaison au microtubule (MT) et l’hydrolyse de l’ATP, relié par une longue tige. De nombreuses chaines intermédiaires (vert foncé) et des chaines légères (vert clair) sont liées à la chaine lourde qui servent d’intermédiaires aux fonctions de la dynéine Les dynéines des axonèmes ou dynéines ciliaires • Forment l'autre branche importante • Comprennent des monomères, hétérodimères et hétérotrimères, pourvus respectivement de une, deux et trois chaines lourdes contenant le moteur • Elles sont hautement spécialisées et permettent les mouvements rapides et efficaces de glissement des microtubules qui actionnent le battement des cils et des flagelles Cils et flagelles • Les cils (épithélium respiratoire) et les flagelles (spermatozoïdes) sont des structures hautement spécialisées construites à partir de microtubules et de dynéines • Les cils et les flagelles sont des appendices cellulaires qui possèdent un faisceau de microtubules en leur centre Mouvements contrastés des flagelles et des cils (A) Mouvement de type ondulatoire du flagelle d'un spermatozoïde. La cellule a été photographiée par illumination stroboscopique à 400 éclairs par seconde. Notez que les ondulations d'amplitude constante se déplacent continuellement de la base vers l'extrémité du flagelle. (B) Battement d'un cil qui ressemble à la nage de la brasse. Un rapide « coup de force » (flèches rouges) au cours duquel le liquide est entraîné vers la surface de la cellule est suivi d'un coup lent de récupération. Chaque cycle prend généralement 0,1 à 0,2 seconde et engendre une force perpendiculaire à l'axe de l'axonème (le centre du cil). Microtubules des cils et flagelles • Le mouvement d'un cil ou d'un flagelle est produit par la courbure de son centre, appelé axonème • L'axonème est composé de microtubules associés à leurs protéines, disposés de façon régulière et particulière • Neuf doublets spécifiques de microtubules (formés d'un microtubule complet et d'un microtubule partiel, fusionnés de manière à partager une paroi tubulaire commune) sont disposés en un anneau qui entoure une paire de microtubules isolés Disposition des microtubules dans un flagelle ou un cil Photographie en microscopie électronique du flagelle montré en coupe transversale, illustrant la disposition caractéristique en « 9 + 2 » des microtubules. Disposition des microtubules dans un flagelle ou un cil Schéma des parties d'un flagelle ou d'un cil. Les diverses projections issues des microtubules relient les microtubules et sont placées à intervalles réguliers tout le long de l'axonème. Dynéine ciliaire La dynéine ciliaire (de l'axonème) est un gros assemblage protéique (près de 2 millions de daltons) composé de 9 à 12 chaînes polypeptidiques, dont la plus grosse est une chaîne lourde de plus de 500000 daltons 50 nm Les chaînes lourdes forment la majeure portion des domaines de la tête et de la tige et beaucoup de chaînes plus petites sont agrégées autour de la base de la tige. Il y a deux têtes de dynéines externes chez les métazoaires (montrées ici), mais trois têtes chez les protozoaires, chacune formées de leur propre chaîne lourde. La queue de la molécule se lie fortement à un microtubule A, d'une manière indépendante de l'ATP, tandis que les grosses têtes globulaires possèdent un site de fixation, dépendant de l'ATP, pour un microtubule B. Quand les têtes hydrolysent leur ATP lié, elles se déplacent vers l'extrémité moins du microtubule B et produisent ainsi une force de glissement entre des doublets de microtubules adjacents du cil ou du flagelle Courbure d'un axonème Quand les axonèmes sont exposés à la trypsine, une enzyme protéolytique, les liaisons qui maintiennent les doublets voisins de microtubules sont rompues. Dans ce cas, l'addition d'ATP permet l'action motrice des têtes de dynéine qui fait glisser les doublets de microtubules l'un contre l'autre Courbure d'un axonème Dans un axonème intact (comme dans un spermatozoïde), les liaisons protéiques souples empêchent le glissement des doublets de microtubules. L'action motrice provoque donc un mouvement de courbure, responsable des mouvements ondulatoires ou des battements. Transport et mise en place des organites entourés d'une membrane • Une des principales fonctions des moteurs du cytosquelette dans les cellules en interphase est de transporter et de mettre en place les organites entourés d'une membrane • À l'origine, la kinésine a été identifiée comme étant la protéine responsable – – – – du transport antérograde rapide dans les axones, du mouvement rapide des mitochondries, des précurseurs des vésicules sécrétoires et de divers composants synaptiques, le long des autoroutes de microtubules qui s'étendent de l'axone aux terminaisons nerveuses éloignées Transport par les microtubules • Bien que, dans la plupart des cellules, les organites n'aient pas besoin de couvrir de si longues distances, leur transport polarisé est également nécessaire • Dans une cellule en interphase, les microtubules sont généralement orientés avec – l'extrémité moins proche du centre de la cellule au niveau du centrosome, – et l'extrémité plus s'étendant vers la périphérie cellulaire • Les mouvements centripètes des organites vers le centre de la cellule nécessitent donc l'action des protéines motrices se dirigeant vers une extrémité moins, comme les dynéines cytoplasmiques, • alors que les mouvements centrifuges vers la périphérie nécessitent les moteurs se dirigeant vers l'extrémité plus comme les kinésines La dynactine sert d’intermédiaire à l'attachement de la dynéine sur un organite entouré d'une membrane La dynéine nécessite la présence d'un grand nombre de protéines accessoires pour s'associer aux organites entourés d'une membrane La dynactine est un gros complexe qui inclut divers composants, • dont certains se fixent faiblement sur les microtubules, • d'autres se fixant sur la dynéine elle-même, • et d'autres encore formant un petit filament de type actine fabriqué à partir d'une protéine apparentée à l'actine, l'Arp1. Organisation des microtubules dans un neurone Dans un neurone, l'organisation des microtubules est complexe. Dans l'axone, tous les microtubules ont la même polarité avec les extrémités plus pointant vers la terminaison de l'axone. Aucun microtubule ne s'étend sur toute la longueur de l'axone, mais de courts segments de microtubules parallèles se chevauchent et constituent des rails pour le transport axonal rapide. Dans les dendrites, les microtubules ont une polarité mixte avec certaines extrémités plus pointant vers l'extérieur et d'autres pointant vers l'intérieur. Les vésicules peuvent s’associer à la fois à la kinésine et à la dynéine et se déplacer dans l’un ou l’autre sens le long des axones ou dendrites des microtubules en fonction du type de moteur actif Résumé 1/3 • Les microtubules sont des polymères de tubuline rigides • Ils s’assemblent par addition de sous-unités de tubuline contenant du GTP à l’extrémité libre d’un microtubule avec une extrémité (extrémité plus) qui croît plus vite que l’autre • L’hydrolyse du GTP lié se produit après l’assemblage et affaiblit les liens qui maintiennent le microtubule • Les microtubules sont dynamiquement instables et sujets à un désassemblage catastrophique mais peuvent être stabilisés dans les cellules par association à d’autres structures Résumé 2/3 • Les Centres Organisateurs de MicroTubules (COMT) comme les centrosomes protègent les extrémités moins des microtubules et nucléent continuellement la formation de nouveaux microtubules • Les protéines associées aux microtubules (MAPs) stabilisent les microtubules et celles de l’extrémité plus (+TIPs) peuvent altérer les propriétés mécaniques du microtubule ou médier leur interaction avec d’autres structures • Contrebalançant l’activité stabilisante des MAPs il y a des facteurs de catastrophe comme la kinésine 13 qui agit en disloquant les extrémités des microtubules Résumé 3/3 • D’autres membres de la famille des kinésines ou des dynéines utilisent l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP pour se déplacer le long d’un microtubule dans une seule direction • Le moteur de dynéine se déplace vers l’extrémité moins des microtubules et le déplacement en glissade des microtubules axonémaux sous-tend le battement des cils et des flagelles PLAN I. II. III. IV. FONCTION ET ORIGINE DU CYTOSQUELETTE FILAMENTS D’ACTINE MICROTUBULES FILAMENTS INTERMÉDIAIRES Principaux types de protéines des filaments intermédiaires des Types de filament Composants polypeptidiques Localisation intermédiaire cellules de vertébrés Principaux types de protéines des filaments intermédiaires des cellules de vertébrés Nucléaire Type vimentine Lamines A, B et C Lamina nucléaire (bordure interne de l’enveloppe nucléaire) Vimentine Nombreuses cellules d’origine mésenchymateuse Desmine Muscle Protéine acide des fibrilles de la glie Cellules de la glie (astrocytes et certaines cellules de Schwann) Kératines de type I (acides) Kératines de type II (alcalines) Cellules épithéliales et leurs dérivés (poils, cheveux et ongles) Neurofilaments protéiques Neurones Épithélial Axonal Modèle de l'édification d'un filament intermédiaire Le monomère montré en (A) s'apparie à un monomère identique pour former un dimère (B) dans lequel les domaines centraux conservés en bâtonnets sont alignés parallèlement et s'enroulent ensemble en un superenroulement. (C) Deux dimères s'alignent alors côte à côte, pour former un tétramère antiparallèle de quatre chaînes polypeptidiques. Les dimères et les tétramères forment les sous-unités solubles des filaments intermédiaires. (A) (B) Modèle de l'édification d'un filament intermédiaire (D) Dans chaque tétramère, les deux dimères sont décalés l'un par rapport à l'autre, ce qui leur permet de s'associer à un autre tétramère. (E) Dans le filament final de 10 nm en forme de corde, les tétramères sont disposés en une conformation hélicoïdale qui possède 16 dimères (32 superenroulements) en coupe transversale. La moitié de ces dimères pointe vers une direction, l'autre pointe vers l'autre direction. Modèle de l'édification d'un filament intermédiaire Photographie en microscopie électronique des filaments intermédiaires Polarité des filaments intermédiaires • Contrairement à l'actine ou à la tubuline, les sousunités du filament intermédiaire ne comportent pas de sites de liaison pour un nucléoside (ATP ou GTP) • Comme la sous-unité tétramérique est composée de deux dimères orientés dans des directions opposées, ses deux extrémités sont identiques • Le filament intermédiaire assemblé n'a donc pas la polarité structurelle globale, essentielle dans les filaments d'actine et les microtubules Principaux types de protéines des filaments intermédiaires des cellules de vertébrés Principaux types de protéines des filaments intermédiairesLocalisation des Types de filament Composants polypeptidiques intermédiaire cellules de vertébrés Nucléaire Lamines A, B et C Lamina nucléaire (bordure interne de l’enveloppe nucléaire) Vimentine Nombreuses cellules d’origine mésenchymateuse Desmine Muscle Protéine acide des fibrilles de la glie Cellules de la glie (astrocytes et certaines cellules de Schwann) Périphérine Certains neurones Kératines de type I (acides) Kératines de type II (alcalines) Cellules épithéliales et leurs dérivés (poils, cheveux et ongles) Neurofilaments protéiques Neurones Type vimentine Épithélial Axonal i - Kératines • La famille de filaments intermédiaires la plus variée • Environ 20 dans les différents types de cellules épithéliales humaines • Environ 10 de plus, spécifiques des cheveux et des ongles • L'analyse de séquence du génome humain a montré qu'il y a 54 kératines distinctes • Chaque filament de kératine est constitué d'un mélange à partie égale de • chaînes de kératine de type I (acide) • chaînes de kératine de type II (neutre/basique) • Ces filaments forment la sous-unité hétérodimèrique du filament Filaments de kératine des cellules épithéliales Photographie en microscopie à immunofluorescence du réseau de filaments de kératine (en bleu) dans un feuillet de cellules épithéliales en culture. Les filaments de chaque cellule sont indirectement connectés à ceux des cellules voisines par des desmosomes. Une deuxième protéine (en rouge) a été colorée pour révéler la localisation des limites cellulaires Tissus épithéliaux • Les filaments de kératine procurent une force mécanique aux tissus épithéliaux, en partie en attachant les filaments intermédiaires sur des sites de contact intercellulaires, appelés desmosomes • ou sur des sites de contact entre la cellule et la matrice extracellulaire appelés hémidesmosomes Principaux types de protéines des filaments intermédiaires des Types de filament Composants polypeptidiques Localisation intermédiaire cellules de vertébrés Principaux types de protéines des filaments intermédiaires des cellules de vertébrés Nucléaire Type vimentine Lamines A, B et C Lamina nucléaire (bordure interne de l’enveloppe nucléaire) Vimentine Nombreuses cellules d’origine mésenchymateuse Desmine Muscle Protéine acide des fibrilles de la glie Cellules de la glie (astrocytes et certaines cellules de Schwann) Kératines de type I (acides) Kératines de type II (alcalines) Cellules épithéliales et leurs dérivés (poils, cheveux et ongles) Neurofilaments protéiques Neurones Épithélial Axonal ii - Neurofilaments • Une autre famille de filaments intermédiaires • En forte concentration le long des axones des neurones des vertébrés Deux types de filaments intermédiaires des cellules du système nerveux Image en microscopie électronique après cryodécapage de neurofilaments d'un axone de cellule nerveuse, qui montre les liaisons croisées importantes par l'intermédiaire de ponts transversaux entre les protéines — on pense que cette disposition donne à ce long processus cellulaire sa grande force d'élasticité. Les ponts croisés sont formés par les longues extensions non hélicoïdales de l'extrémité C-terminale des plus gros neurofilaments protéiques (NF-H). Deux types de filaments intermédiaires des cellules du système nerveux Photographie en microscopie électronique conventionnelle d'une coupe transversale d'axone qui montre l'espacement régulier côte-à-côte des neurofilaments, dont le nombre dépasse largement celui des microtubules. Principaux types de protéines des filaments intermédiaires des Types de filament Composants polypeptidiques Localisation intermédiaire cellules de vertébrés Principaux types de protéines des filaments intermédiaires des cellules de vertébrés Nucléaire Type vimentine Lamines A, B et C Lamina nucléaire (bordure interne de l’enveloppe nucléaire) Vimentine Nombreuses cellules d’origine mésenchymateuse Desmine Muscle Protéine acide des fibrilles de la glie Cellules de la glie (astrocytes et certaines cellules de Schwann) Kératines de type I (acides) Kératines de type II (alcalines) Cellules épithéliales et leurs dérivés (poils, cheveux et ongles) Neurofilaments protéiques Neurones Épithélial Axonal iii - Vimentine • Les filaments de type vimentine forment la troisième famille de filaments intermédiaires Desmine • La desmine, un des membres de cette famille (vimentine), s'exprime dans les muscles cardiaques, squelettiques et lisses Principaux types de protéines des filaments intermédiaires des Types de filament Composants polypeptidiques Localisation intermédiaire cellules de vertébrés Principaux types de protéines des filaments intermédiaires des cellules de vertébrés Nucléaire Type vimentine Lamines A, B et C Lamina nucléaire (bordure interne de l’enveloppe nucléaire) Vimentine Nombreuses cellules d’origine mésenchymateuse Desmine Muscle Protéine acide des fibrilles de la glie Cellules de la glie (astrocytes et certaines cellules de Schwann) Kératines de type I (acides) Kératines de type II (alcalines) Cellules épithéliales et leurs dérivés (poils, cheveux et ongles) Neurofilaments protéiques Neurones Épithélial Axonal iv - Lamines • Rôle bien connu dans le maintien de la stabilité mécanique du noyau • Lamine A : - Classe de lamine - Avec la participation de nombreuses protéines de l’enveloppe nucléaire → - Charpente pour les protéines qui contrôlent la myriade de fonctions cellulaires Transcription Organisation de la chromatine Transduction Résumé • Alors que la tubuline et l’actine sont très conservées dans l’évolution • Les protéines des filaments intermédiaires sont très diverses • Dans le cytoplasme des cellules animales il y a de nombreuses formes de filaments intermédiaires spécifiques de tissu • Comprennent – Les filaments intermédiaires de kératine dans les cellules épithéliales – les neurofilaments dans les cellules nerveuses – Les filaments de desmine dans les cellules musculaires • La première fonction des ces filaments est de procurer de la force mécanique