FC8a 2023-2024 Le Cytosquelette PDF

a Le cytosquelette Professeur : GUIGNANDON FC N°8a Date : 15/09/2023 SOMMAIRE I. GENERALITES ............................................................................................................................................................................. 1 1. DEFINITION DU CYTOSQUELE...

a Le cytosquelette Professeur : GUIGNANDON FC N°8a Date : 15/09/2023 SOMMAIRE I. GENERALITES ............................................................................................................................................................................. 1 1. DEFINITION DU CYTOSQUELETTE .................................................................................................................................................... 2 2. DYNAMIQUE DU CYTOSQUELETTE ................................................................................................................................................... 4 3. ROLE DU CYTOSQUELETTE ............................................................................................................................................................ 5 II. LES FILAMENTS INTERMEDIAIRES ............................................................................................................................................. 7 1. LE NUCLEOSQUELETTE ET LE CYTOSQUELETTE SONT CONNECTES ............................................................................................................. 9 III. LES MICROTUBULES ............................................................................................................................................................... 12 En cas de questions sur ce cours, vous pouvez écrire à l’adresse suivante : [email protected] Les règles de courtoisies sont à respecter lors de l’envoi d’un mail. L’équipe des tuteurs se réserve le droit de répondre ou non à un mail. En cas de questions récurrentes, les tuteurs pourront faire un point lors des colles hebdomadaires. I. Généralités GENERALITES • Structure extrêmement organisée avec une architecture et une forme bien définie • L’architecture est définie par le cytosquelette • La structure est très importante : elle conditionne la fonction Cellule • Les « millefeuilles » de phospholipide ne flottent pas, ils sont arrimés à des structures du cytosquelette • Altération de l’architecture : arrêt du fonctionnement normal de la cellule conduisant à des pathologies Schéma • L’architecture sur le schéma est mal représentée RER : Rouge Appareil de Golgi : Bleu • Représente des éléments architecturaux qui déterminent globalement l’organisation de la membrane plasmique, de l’appareil de Golgi, du REL, qui orientent le déplacement et l’organisation des organites ainsi que des ARNm, …. • Un des éléments les plus importants de la cellule Cytosquelette • Existence de nombreuses pathologies liées à des problèmes du cytosquelette o Cancer, neurodégénérescence, … o On voit très rarement les structures du cytosquelette dans les représentations de la cellule pourtant en quantité de protéines, celles du cytosquelette sont largement les plus nombreuses • Microscopie à fluorescence : technique pour rendre fluorescent ce que l’on souhaite observer • Sur les images : o A gauche, on voit les mitochondries o A droite, on voit les microtubules Fibroblaste au microscope à fluorescence • Les mitochondries sont donc disposées le long des microtubules du cytosquelette. Elles ne « flottent » pas dans le cytoplasme, elles sont organisées et guidées par le cytosquelette d’où l’importance de celui-ci. 1 1. Définition du cytosquelette LE CYTOSQUELETTE • Association de polymères et de protéines assurant la structure et la mobilité cellulaire • La forme et la fonction des cellules sont intimement liés Définition • Exemples : o Le spermatozoïde ne serait pas fonctionnel sans éléments propulsifs o Le myocyte ne serait pas contractile si son organisation ne le permettait pas • Dépend de leur utilisation et de leur fonction o En périphérie cellulaire, sous la membrane plasmique : il donne la forme de la membrane Répartition ▪ Ce n’est pas la membrane plasmique de phospholipides qui tient la cellule, mais l’architecture de la cellule sur laquelle est posée la membrane de phospholipides (Exemple de la toile de tente : c’est la toile sur l’architecture qui tient la toile, s’il n’y a pas la structure qui tient la toile, la toile tombe) o Dans le cytosol • Dans le noyau La transcription dépend de l’organisation du cytosquelette et du nucléosquelette • Microfilaments d’actine o Diamètre : 7 nm • Filaments intermédiaires o Diamètre : 10 nm Composé de polymères fibreux (les diamètres sont à savoir !) • Microtubules = système d’enroulement telle une fermeture éclair o 2 monomères s’associent pour former des tubes. o Diamètre : 25 nm • Les monomères s’associent pour former des polymères • Représentent une importante proportion des protéines de la cellule • Destruction du cytosquelette : arrêt de la synthèse des protéines 2 • Le cytosquelette est ultra dynamique • Les remodelages du cytosquelette sont permanents : remaniement en permanence pour renouveler ses composants et, requièrent beaucoup d’énergie • Temps : A retenir o Quelques nanosecondes pour polymériser o Quelques microsecondes pour dépolymériser • Monomères : éléments déstructurés, les briques, en général très petits • Polymères : éléments structuraux qui maintiennent • Donnant des formes et caractéristiques mécaniques différentes Organisation différente selon les types de cellules Contexte (A titre indicatif ne pas retenir) • Selon l’assemblage des polymères, on aura des macrophages (très souples), des cellules musculaires, des cellules épithéliales (très jointives), des cellules adipeuses, des spermatozoïdes, des globules rouges, … • Il y a des interactions entre les différents systèmes : rien ne flotte. Des protéines font des ponts mécaniques entre toutes les structures : les plakines. Les cellules, hautement assemblées, sont donc des systèmes stables. Moyen mnémotechnique : micro est le plus petit, donc l’actine est le plus petit. Cependant, il peut formuler l’item avec le mot actine, il faut savoir que ce sont des microfilaments. 3 2. Dynamique du cytosquelette Rappel : Le cytosquelette permet de définir la forme et une partie des fonctions de la cellule. Le maintien de cette forme est assuré par la polymérisation et la dépolymérisation continuelle de ces structures donc les 3 principaux sont : les microfilaments d’actines, les filaments intermédiaires et les microtubules. Le cytosquelette est constamment remanié pour renouveler ses composants, c’est une structure dynamique, qui est très instable, on passe en permanence de monomères à polymères et inversement. DYNAMIQUE DU CYTOSQUELETTE Monomères Polymérisation Dépolymérisation Polymères Protéines des filaments intermédiaires O-Glycosylations Phosphorylations Déphosphorylations Filaments intermédiaires Actine ATP Une cellule sans ATP ne peut pas assembler des polymères de microfilaments d’actine, même instables. C’est une réaction qui consomme de l’énergie. Hydrolyse de l’ATP en ADP (ADP : Déstabilise) Microfilament d‘actine Tubuline GTP Hydrolyse du GTP en GDP Microtubule Schéma récapitulatif En général : quand on passe de monomère à polymère, on a une stabilisation par phosphorylation (ajout de phosphate) au niveau du cytosquelette → c’est l’inverse dans le nucléosquelette (⚠️ piège !) Lorsqu’on substitue l’ATP et le GTP, on dépolarise. Les filaments intermédiaires, les microfilaments d’actine et microtubules sont des polymères instables qui vont être utilisés par les organites (mitochondries, Golgi…), mais aussi aux protéines associées à la membrane plasmique ou au cytosquelette (GTPase, HSP = chaperonne, MAP) afin de former des polymères stables cette fois ci. Ces polymères sont attaches aux organites et vésicules pour interagir et sont associés à la membrane plasmique. 4 La cellule dépense beaucoup d’énergie pour maintenir intacte son architecture NUCLEOSQUELETTE • Constamment remanié pour renouveler ses composants Rôle d’architecture du noyau Filaments de lamines (polymères) • Une seule famille de molécule : les lamines (filaments intermédiaires du noyau) qui donnent la forme au noyau • Désorganisés par phosphorylation pour donner les monomères de lamines ⚠️ o Le noyau est déstructuré et disparait : c’est le cas lors de la mitose o Indispensables pour qu’une cellule puisse se diviser • Logique inverse des filaments intermédiaires du cytoplasme 3. Rôle du cytosquelette ROLES DU CYTOSQUELETTE Généralités • Il sert à tout, tout le temps, en permanence : très peu d’évènement qui ne sont pas dépendant du cytosquelette Forme de la cellule • Microvillosités pour augmenter la surface d’échange, flagelles (déplacement) et cils (captent l’information) Forme des organites Mobilité cellulaire • Microtubule pour l’organisation du Golgi • Lamines pour l’organisation du noyau • Présence d’éléments régulateurs • Ex : migration de la crête neurale (embryologie) • Machinerie dépendante de l’organisation du noyau • Les lamines contrôlent la réplication et la transcription, ils dépendent de l’architecture de la cellule Activité métabolique Du noyau Du cytoplasme • Le transport des ARNm vers le cytoplasme : quand un ARNm est fabriqué, il va ensuite être dirigé vers le cytoplasme par le pore nucléaire mais il ne flotte pas, ils sont guidés à travers ces fibres du cytosquelette pour aller aux endroits où on en a besoin = Transport assuré par les éléments du cytosquelette • Fixent les kinases et les ribosomes lors de la synthèse des protéines 5 • Dépolymérisation des FI (ex : celle des lamines est responsable de la mitose) Activité mitotique • Réorganisation des microtubules pour le fuseau mitotique (pour séparer les chromosomes lors de la mitose) et la migration cellulaire • Individualisation des cellules filles par l’actine • Activation des enzymes de la mitose (kinases) Prolifération bactérienne ou virale • La propagation d’un virus, d’une bactérie à l’intérieur d’une cellule dépend complétement de son cytosquelette infecté o Les agents bactériens ont des équipements qui vont détourner la dynamique du cytosquelette : le cytosquelette est la première barrière protectrice (glycocalyx + actine sous la membrane plasmique) contre les infections La mécanique conditionne la biochimie La biologie cellulaire est subtile car modifier d’un rien, change complètement la localisation et fonction 6 II. Les filaments intermédiaires FILAMENTS INTERMEDIAIRES (FI) • Autour de l’enveloppe nucléaire Forment un réseaux fibreux rigide • Irradie toute la structure de la cellule et sous la membrane plasmique (elle repose sur le cytosquelette) sur un réseau dit en corbeille • Structure : élément mécaniquement stabilisant Rôles • Forme • Permettent de transmettre des forces : rigides sans être figés Exemples Cellules musculaires Neurones • Transmissions à la membrane plasmique des forces générées par la contraction de l’actine (couplage mécanique : renouvellement permanent : il est rigide mais pas figé) • Squelette de l’axone régule le diamètre cellulaire Illustration Le noyau au centre (au niveau du trou) / on observe seulement les FI Polymérisation (Schéma à ne pas apprendre par cœur) (Dimensions sur le schéma à ne pas retenir) Immunohistochimie • Assemblage des monomères en protofilaments, euxmêmes s’assemblant en filaments qui vont stabiliser la forme de la cellule • Polymères stables quand phosphorylés donc, polymérisés • Les filaments intermédiaires ont des spécificités en fonction des types de cellules. Ils permettent de caractériser l’origine et le type cellulaire dans les tumeurs en immunocytochimie (Anticorps anti-GFAP anti-vimentine). • Ne sert pas à prouver mais intéressant 7 Les FI sont spécifiques aux types cellulaires, alors que l’actine et la tubuline produits par toutes les cellules eucaryotes sont retrouvés dans tous types cellulaires INFORMATION LOCALISATION • Presque pas de différences de structures entre lamines et vimentine Les lamines • Même travail à des endroits différents car composition en AA différente : elles présentent la séquences NLS, contrairement aux vimentines, qui leur permet de rentrer dans le noyau Noyaux de toutes les cellules • Organisent les neurones Les neurofilaments La cytokératine • Spécifiques des neurones // Axones et dendrites Cellules épithéliales Pas les cellules adipeuses et ostéoblastes La vimentine • La plus fréquente, jamais dans le noyau Cellules d’origine mésoblastique, fibroblastique et sanguine (cytoplasme) La desmine // Myocyte GFAP = glial fibrillary acide P (ne pas retenir) // Cellules gliales du système nerveux sympathique et parasympathique 8 1. Le nucléosquelette et le cytosquelette sont connectés NUCLEOSQUELETTE ET CYTOSQUELETTE Connectés Le noyau ne flotte pas Forme du noyau Couplages mécaniques • Présence d’un « gel » constitué d’énormément de protéines du cytosquelette, notamment l’actine qui est la plus fréquente et donc utilisée comme protéine de référence • Il est emprisonné par les systèmes du cytosquelette eux-mêmes collés à la matrice extracellulaire ou aux cellules adjacentes o Ensemble mécanique cohérent permettant de maintenir suspendu le noyau de la cellule Schéma représentatif • Dépendante de la forme de la cellule => tout est en lien : il existe de nombreux ponts entre les différents systèmes et ainsi l’ADN est mécaniquement connecté à l’environnement qui l’entoure • Exemple : changement mécanique au niveau de la MEC → changement du cytosquelette → changement du nucléosquelette → changement de la transcription et de l’ADN o ADN compact : expression difficile Proportion • Il y a peu d’actine dans la cellule Tout est physiquement accroché : le cytosquelette lui-même est accroché à la matrice extracellulaire 9 INTERACTION ENTRE NUCLEOSQUELETTE ET CYTOSQUELETTE (Protéines roses : lamines du cytosquelette qui maintiennent l’enveloppe nucléaire) Sur le schéma ci-dessus, on observe le cytosquelette, la membrane à double feuillets percée par des pores nucléaires. Ces pores sont des structures très bien gardées. Sous la membre interne, on voit un réseau de FI (lamines), ayant des domaines d’interactions avec des protéines qui ont des affinités très fortes avec l’ADN (histones) • Tapissent l’intérieur du feuillet membranaire interne du noyau • Interagissent avec la chromatine : le matériel génétique Lamine • Liées à l’actine, les microtubules et les filaments intermédiaires • Maintiennent les phospholipides de l’enveloppe nucléaire o Ce ne sont pas les phospholipide l’enveloppe nucléaire qui tiennent l’ADN • LINC (Linker of the Nucleo and Cytoskeleton) : LINC = NESPRINE + SUN o Complexe de protéines qui maintiennent mécaniquement le noyau et le cytosquelette Liaison entre nucléosquelette et cytosquelette o Lien fondamental pour l’architecture de la cellule • Ces ponts vont déterminer l’organisation en double feuillet de l’enveloppe nucléaire • Si on change la mécanique du cytosquelette on change la transcription : échafaudage mécanique réalisé par le cytosquelette Pas de questions sur Nesprin et Sun mais plutôt sur le complexe LINC Ainsi, dès que l’on intervient sur une partie de la membrane cela va avoir des conséquences sur le noyau et sur la transcription => très bon système de senseur de stress Le nucléosquelette et le cytosquelette sont physiquement et mécaniquement liées Le matériel génétique et la dynamique du cytosquelette sont donc également liées 10 L’organisation du nucléosquelette influence l’état de différenciation • Une cellule souche n’a pas la même organisation de sa chromatine et de son nucléosquelette que ceux d’un myotube, par exemple : les cellules souches ont une grande plasticité, elles sont très interchangeables mécaniquement • Dans une cellule souche qui assez souple, non verrouillé, libre : beaucoup de choses sont accessibles : elle est plastique • Cellule différenciée : cytosquelette verrouillé pour garder sa fonction • La transcription des endroits verrouillés est nulle 11 III. Les microtubules Les microvillosités sont présentes sous forme ultra condensée, dans de nombreuses cellules. Rappels : o L’actine participe à la formation des microvillosités et soutient la membrane plasmique o Les trois types de filaments intermédiaires ne sont pas indépendants les uns des autres : ils interagissent sur de nombreux sites MICROTUBULES Rôle principal • Séparer les chromosomes lors de la mitose en formant le fuseau mitotique En vert : fuseau mitotique En rouge : l’ADN Caractéristiques • Moins nombreux que les FI • Ils s’organisent à partir du centrosome = centre organisateur de tubuline Organisation o Structure située à proximité du noyau, point à partir duquel les microtubules se polymérisent • Association de 2 monomères : l’α- et la β-tubuline chacun devant être lié au GTP stimulant la formation du protofilament o α-tubuline : toujours liée au GTP, mais ce n’est pas une GTPase, ne change jamais Structure en tube (polymère) o β-tubuline : GTPase permettant la dynamique de la structure (grande capacité à capter du GTP et le dégrade en GDP + P), c’est cela qui va conditionner la stabilité du tube. ▪ L’association de la β-tubuline avec le GTP favorise la polymérisation et stabilisation du microtubule. Il s’agit d’une enzyme qui change de structure pour agencer la polymérisation et dépolymérisation ▪ Système d’auto-fabrication et d’autodestruction de la β-tubuline • Modèle de fermeture éclair : la structure est pré-stabilisée, puis des éléments remontent sur le tube • Naturellement on passe en permanence d’un état polymérisé à dépolymérisé 12 Dépolymérisation • Naturellement la β-tubuline va hydrolyser le GTP en GDP, entrainant un changement de la conformation 3D de la cellule, et au bout d’un certain temps le tube va devenir moins stable, c’est la dépolymérisation (en catastrophe). • Si on n’arrête pas l’activité des β-tubulines : dépolymérisation spontanée des tubes. Ce sont donc des structures temporaires. • But : stabilisation des microtubules MAP En jaune sur l’image de gauche au-dessus • Molécules associées aux β-tubulines et inhibent son activité GTPasique pour aider le microtubule à se stabiliser • Protéines chaperonnes empêchant la dépolymérisation • Bloquent la GTPase (empêche l’hydrolyse) et permet de maintenir le tube un peu plus longtemps • Championne : importante pour la mémoire et la neuro-dégénération. Elle est importante pour les processus de mémorisation et de stabilisation des connexions neuronales car elle maintient les microtubules en place • Rôle : stabilisation des microtubules des neurones Exemple de MAP : protéine Tau • Hyperphosphorylation de Tau : Alzheimer o Si on déstabilise l’axone, on déstabilise le microtubule (quand tau est hyperphosphorylé), le neurone n’est plus stable et dégénère, la protéine s’accumulant fait des agglomérats au lieu de s’accoler au microtubule, les agglomérats finissent par empoisonner la cellule : mort du neurone Les décisions sont prises au niveau de la structure 13 ROLE DES MICROTUBULES : STRUCTURE DU CYTOPLASME ET DES ORGANITES • Favorisent la structure du Golgi en saccules en s’attachant à la membrane Structure du Golgi • Une déstructuration du cytosquelette arrête la synthèse des protéines Réticulum endoplasmique • Permettent l’organisation du Réticulum endoplasmique en canalicules • Assurent le transport des vésicules vers le Golgi o Une fois les vésicules fabriquées, elles vont avoir un très petit degré de liberté (elles ne flottent pas) Transport vésiculaire o Prises en charge par les microtubules majoritairement et vont être adressée à d’autres endroits ▪ « La route » qu’elle prend est souvent un microtubule RIEN NE FLOTTE DANS LA CELLULE Définition TRANSPORT DES VESICULES ET ORGANITES • Certaines protéines associées sont des moteurs qui véhiculent les organites et les vésicules le long des microtubules. Ce sont des ATPases : les kinésines et les dynéines • Formation d’une route allant des centrosomes (au centre de la cellule) jusqu’à la membrane plasmique « Routes » de microtubules • Les vésicules et organites « circulent » sur cette route, associées à des protéines motrices o Ce sont des ATPases (elles dégradent l’ATP) : les kinésines et les dynéines qui vont aussi permettre de rendre les microtubules plus stables Kinésines Dynéines • Déplacement des organites du centre (extrémité moins) vers la membrane plasmique (extrémité plus), c’est ce qu’on appelle le phénomène D’EXOCYTOSE • Déplacement des organites de la membrane plasmique (extrémité plus) vers le centre de la cellule (extrémité moins) : phénomène D’ENDOCYTOSE : elles ont une polarité elles savent reconnaitre le coté plus du moins • Transport à sens unique Schéma Moyen mnémotechnique : KINEX (kinésines → exocytose) DYNENDO (dynéines → endocytose). 14 FONCTIONNEMENT DES MOTEURS MOLECULAIRES • Souvent des dimères assez souples • Changent de conformation 3D facilement au contact de l’ATP Caractéristiques • Se déplient ce qui leur permet de se déplacer → « Complexes qui marchent » • Moteur moléculaire reconnaissant les protéines stables, se déplaçant et interagissant que si le microtubule est stable : participe à la stabilisation du tube • Présences de protéines intrinsèques ou membranaires présentes sur la membrane des vésicules qui permettent de la reconnaitre, déterminant où elles doivent se rendre et d’autres permettant de faire le lien entre les différents relais moléculaires o Ex : dynactine (adresse la dynamique à la cellule) Fonctionnement • Etapes : o La protéine de la vésicule reconnait une tête de la kinésine o L’autre tête de la kinésine reconnait les alpha et béta tubuline o Couplage vésicule + microtubule + kinésine formée : mécanisme en marche Schémas Le transport moléculaire est complétement dépendant de la mécanique du cytosquelette 15