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L.AS ECUE MS 2.2 Biologie Cellulaire Fiche 9 et 10 : Cytosquelette Université Paris Cité 2023/2024  2 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024  CYTOSQUELETTE Objectifs du cours : Connaître...

L.AS ECUE MS 2.2 Biologie Cellulaire Fiche 9 et 10 : Cytosquelette Université Paris Cité 2023/2024  2 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024  CYTOSQUELETTE Objectifs du cours : Connaître les rôles du cytosquelette Connaître les trois types de filaments qui composent le cytosquelette et leurs constituants. 1- DÉFINITION Le cytosquelette (CS) regroupe des polymères peptidiques dont le rôle est multiple : - Assure plusieurs fonctions cellulaires comme la prolifération, la différenciation, la migration, l’activité, … - Confère une structure et une mobilité à la cellule - Participe à la structure des tissus - Régule le trafic et les flux des molécules intracellulaires pour permettre les mouvements biologiques Le CS est un ensemble de protéines intracellulaires qui régulent la structure, la mobilité et l’activité de la cellule. Il faut envisager le cytosol comme un océan sur lequel il y aurait des rails, les filaments du cytosquelette, sur lesquels circulent les molécules, les vésicules et même les organites de manière régulée et orientée. Le cytosquelette est constamment remanié pendant la vie de la cellule pour s’adapter aux modifications de l’activité cellulaire. Il existe une structure commune à toutes les protéines du cytosquelette : les monomères de protéines globulaires (exemples : actine, tubuline) et fibreux (exemple : filaments intermédiaires) sont transformés en polymères fibreux par polymérisation pour former des microfilaments d’actine ( 8 nm), des filaments intermédiaires ( 10 nm) et des microtubules ( 25 nm). 3 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024 Ces polymères instables se lient à des organites, à des protéines associées à la membrane plasmique ou du cytoplasme (protéines G, MAP) pour former des polymères stables. 2- RÔLES DU CYTOSQUELETTE Structure de la cellule Le cytosquelette a un rôle dans la structure de la cellule (microvillosités, flagelles) et des organites (microtubule pour le Golgi et lamine pour le noyau). Mobilité Il participe également à la mobilité : - Mobilité de la cellule ou de ses pôles (via flagelle et cil) - Mouvement de la membrane plasmique (endocytose/exocytose) - Déplacement des organites et des vésicules intracellulaires - Migration des chromosomes 4 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024  Fonctions de la cellule Le cytosquelette est impliqué dans plusieurs fonctions cellulaires : - Régulation de la traduction (transport de l’ARNm ou liaison des kinases) - Cycle cellulaire (formation des lamines du noyau) Activité mitotique Le cytosquelette intervient dans l’activité mitotique via les trois protéines du cytosquelette : - Réorganisation des microtubules pour le fuseau mitotique - Individualisation des cellules filles par l’actine - Activation des enzymes de la mitose (kinase) 3- LES MICROFILAMENTS D’ACTINE Les microfilaments d’actine permettent la structure de la cellule et les mouvements cellulaires. Ils sont constitués de protéines globulaires (actine) très abondantes dans la cellule, elles représentent jusqu’à 15 % des protéines totales. Les microfilaments d’actine participent à : - L’organisation du cytosquelette - La phagocytose, l’endocytose, l’exocytose - La mobilité cellulaire - La division cellulaire - L’adhérence cellulaire 3.1- Assemblage L’actine existe sous trois formes :  = cellules musculaires  = érythrocytes  et  = autres cellules 5 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024 Polymérisation : On part d’un monomère d’actine, lié à une molécule d’ADP. Il y a consommation d’ATP et transfert du phosphate à l’ADP de l’actine, qui devient un ATP. Le fait que le monomère d’actine soit associé à l’ATP lui permet de se polymériser avec l’actine fibrillaire (= microfilament d’actine). Cette polymérisation est instable. Les molécules d’actine passent sans arrêt du stade globulaire au stade fibrillaire. Le filament d’actine est polarisé : il possède une extrémité pointue, où la polymérisation est lente, et une extrémité barbue/en brosse, où la polymérisation est rapide. L’assemblage de l’actine F dépend de la concentration en calcium, en ATP et en monomère d’actine. La polymérisation/dépolymérisation de l’actine est aussi contrôlée par des nombreuses protéines. 3.2- Protéines associées à l’actine Des protéines associées régulent l’organisation et la fonction des microfilaments d’actine. On retrouve des protéines : - De liaison aux monomères - De coiffe et/ou de fragmentation - De stabilisation des filaments - De réticulation - Associées à la membrane et liaison aux protéines du cytosquelette 3.2.1- Contrôle de la polymérisation/dépolymérisation Thymosine : elle se lie au monomère d’actine-ATP et bloque la polymérisation. Profiline : elle induit la polymérisation en aidant l’actine à échanger l’ADP contre l’ATP. La profiline couplée à l’ATP est fixée à la membrane plasmique. Elle libère l’actine proche de la membrane et permet la formation d’un filament. 6 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024  3.2.2- Protéines de coiffe Elles régulent la fragmentation des microfilaments : Gelsoline : en présence de calcium, elle coupe les microfilaments d’actine qui sont organisés en réseau et les fragmente. Elle reste fixée à l’extrémité du microfilament et empêche ainsi sa repolymérisation. Tropomoduline : elle coiffe l’actine dans les muscles et les globules rouges grâce à la tropomyosine et empêche son désassemblage. 3.2.3- Protéines contrôlant l’organisation des filaments - Stabilisation des filaments : Tropomyosine : s’associe le long de l’axe du microfilament et le stabilise. Nébuline : elle détermine la longueur du filament dans le muscle strié. - Organisation en faisceaux : Faisceau large via l’α-actinine : L’α-actinine se fixe au pôle + des filaments puis la myosine II vient se fixer entre deux microfilaments d’actine, permettant ainsi la mobilité. Cette organisation en faisceau large est retrouvée dans les jonctions adhérentes, anneau contractile et fibre de tension. Faisceau serré : fimbrine et villine. Elles génèrent des micro-saillies qui augmentent la surface membranaire. 7 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024  - Organisation en réseau radiaire : Filamine : stabilise les filaments sous le cortex cellulaire. Plusieurs protéines de chaque groupe (isoformes) ont une fonction redondante. Cela évite des anomalies de fonction de l’actine (en cas de mutations). 3.2.4- Protéines contrôlant le déplacement des vésicules et la contraction des filaments La myosine possède une tête globulaire (activité ATPasique) qui se fixe à l’actine. C’est une protéine plus ou moins longue. Il en existe 2 types : La myosine I : qui a une tête et une queue courte. Elle interagit par sa queue avec la vésicule à transporter et par sa tête avec le filament d’actine. La myosine peut se déplacer sur les filaments dans les deux sens, vers la périphérie de la cellule ou vers le centre de la cellule. La myosine II : elle a 2 têtes et une queue longue. Elle est importante dans les cellules musculaires, car elle intervient dans la contraction musculaire : l’assemblage de 2 molécules de myosine II se fait après phosphorylation, grâce à l’ATP, ce qui permet aux 2 myosines de se rapprocher. Les myosines étant également capables d’interagir avec les filaments d’actine par leurs têtes, elles vont permettre le rapprochement de filaments d’actine. Ces interactions entre les myosines II et les microfilaments provoquent un glissement des microfilaments et conduit à la contraction du muscle dans les cellules musculaires. 8 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024 L’actine participe aussi aux phénomènes d’endocytose et d’exocytose : Endocytose : Les microfilaments d’actine (en rose sur le schéma) qui sont sous la membrane vont permettre la propulsion de la vésicule d’endocytose vers l’intérieur de la cellule. Les microfilaments d’actine vont diriger la vésicule vers les microtubules (en marron et jaune sur le schéma), qui vont les prendre en charge lors de leur transport à l’intérieur de la cellule. Exocytose : Les microfilaments d’actine participent à l’exocytose. La vésicule est orientée vers la membrane par les microtubules, puis prise en charge par le réseau d’actine, qui va permettre de rapprocher la vésicule de la membrane grâce à la dégradation de l’actine par la gelsoline. Puis, le rapprochement des deux membranes permettra leur fusion. 4- LES FILAMENTS INTERMÉDIAIRES Les filaments intermédiaires forment un réseau fibreux sous-membranaire qui confère des propriétés de résistance mécanique à la cellule. Ils sont le support mécanique de la cellule et ils favorisent l’orientation des organites en réponse au stress mécanique. 9 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024  4.1- Assemblage Les filaments intermédiaires sont composés de monomères fibreux qui sont initialement polarisés : chaque monomère possède une extrémité N et une extrémité C comportant chacune un résidu phosphate et un sucre. Ils possèdent aussi un domaine central hydrophobe hélicoïdal. Deux monomères orientés dans le même sens s’associent en se superenroulant pour former un dimère. Ensuite, deux dimères d’orientations opposées et décalés s’associent pour former un tétramère. Enfin, plusieurs tétramères s’alignent bout à bout pour former le protofilament intermédiaire. 10 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024 Un filament intermédiaire correspond ainsi à 8 tétramères (soit 32 monomères) assemblés autour d’un axe central. Les filaments intermédiaires ne sont pas polarisés : les extrémités sont identiques. 4.2- Types de filaments intermédiaires Il existe différents types de filaments intermédiaires : Les lamines : sont contenues dans le noyau cellulaire et en tapissent l’intérieur. Les neurofilaments : sont présents dans les axones et les dendrites des neurones. La cytokératine : constituant des cellules épithéliales. On en trouve de deux types : - De type I (acide) - De type II (basique). Exemple : la peau présente un faisceau très dense de filaments intermédiaires ancrés dans les desmosomes. Groupe des vimentines : - Vimentine : exprimées dans les fibroblastes, les cellules du sang, l’endothélium, les adipocytes, les cellules mésoblastiques. - Desmine : elle relie les filaments musculaires à la membrane plasmique (muscle strié). - GFAP (Glial Fibrillary Acidic Protein) : on la retrouve dans les cellules gliales. 11 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024  4.3- Rôle des filaments intermédiaires 4.3.1- Ils participent à la résistance mécanique aux forces d’étirement Les microtubules ont une forte capacité de déformation, mais une faible force de cisaillement. Pour l’actine, c’est l’inverse. Les filaments intermédiaires sont ceux qui résistent le mieux à la fois à la déformation et à la force de cisaillement ce qui leur permet de conférer cette résistance mécanique aux cellules. 4.3.2- Ils assurent l’imperméabilité tissulaire La cytokératine des kératinocytes stabilise l’épithélium cutané et constitue une barrière pour l’organisme en le protégeant de la déshydratation. Les cytokératines forment des blocs agrégés par la filaggrine et stabilisés par leur interaction avec BPAG1 ce qui leur permet de constituer cette barrière imperméable. 4.3.3- Ils participent à la définition du calibre des prolongements tissulaires Les GFAP sont surtout présentes dans les astrocytes et, en plus de participer à la définition du calibre des prolongements, elles régulent la transmission des neurotransmetteurs le long des axones. Remarque : les neurofilaments sont des filaments intermédiaires spécifiques des neurones. 12 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024  5- LES MICROTUBULES Les microtubules sont des polymères protéiques qui servent au transport des molécules à travers la cellule. Ils forment un réseau pour organiser et orienter les flux moléculaires intracellulaires. Ils sont constitués par la polymérisation de tubulines  et . Ce sont des constituants majeurs de la cellule : on observe ainsi une conservation phylogénique forte à travers les espèces. Il existe 6 à 8 gènes codant pour chacun des monomères, c’est-à-dire pour la tubuline α et β. Les microtubules sont en « instabilité dynamique ». Ils enchainent des cycles de polymérisation - dépolymérisation → les composants sont en réarrangement continu au cours de la vie cellulaire. 5.1- Structure Un microtubule est un tube creux formé par la polymérisation de tubulines. Il est constitué de 13 protofilaments. La polymérisation/dépolymérisation est un processus constant aux 2 extrémités ayant pour but d’allonger ou raccourcir la longueur du microtubule. La polymérisation se fait plus rapidement au pôle positif + (situé en périphérie de la cellule) qu’au pôle négatif - (situé au centre de la cellule). 13 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024 Cycle de polymérisation / dépolymérisation (instabilité dynamique) Quand la tubuline β est associée avec un GTP, elle peut être intégrée à la synthèse d’un protofilament, ce qui va permettre la polymérisation du microtubule. La dépolymérisation arrive lorsque le GTP est hydrolysé en GDP, ce qui perturbe l’association des sous-unités α et β, qui n’est plus strictement linéaire. Le fait que la tubuline β ne soit plus associée à un GTP mais un GDP entraine leur dissociation, et le cycle peut recommencer. Les microtubules forment un réseau très dense au sein de la cellule : il y a donc nécessité de le réguler. Fibroblastes avec microtubules marqués en vert (ADN en rouge) 5.2- Organisation des microtubules Le squelette des microtubules sert de support à des protéines pour leur conférer une fonction. Ces MAP (microtubule associated protein) ont des rôles distincts : 5.2.1- MAP de stabilisation - Présentent motif de liaison à la tubuline - Sont très thermostables - Accélèrent le renouvellement des microtubules 14 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024 Exemple 1 : MAP2 des neurones - Relie deux microtubules voisins - Oriente l’axe du microtubule - Solidarise les enveloppes des organites - Contenue dans les corps cellulaires et les dendrites Exemple 2 : Protéine tau des neurones - Est localisée dans les axones et les corps cellulaires - Permet l’organisation des microtubules et favorise le transport des vésicules et des lysosomes Dans la maladie d’Alzheimer, la protéine tau est abondante et anormalement phosphorylée dans les neurones. Ceci entraine un défaut d’organisation des microtubules qui génère des amas neuro-fibrillaires avec filaments entrainant une dégénérescence neuronale. 15 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024  5.2.2- MAP de déstabilisation Stathmine : séquestre les dimères de tubuline et favorise la dépolymérisation. MCAK : supprime les dimères des extrémités. Katanine : rompt les microtubules en petits fragments. Ces fragments se dépolymérisent en dimères qui peuvent se réassembler. Cette protéine est activée lors de la mitose. 5.2.3- MAP motrices Ces protéines associées sont des moteurs qui permettent de véhiculer les organites et les vésicules le long des microtubules → ce sont des ATPases : les kinésines et les dynéines. Ce sont des hétéro-polymères comportant trois domaines : 2 chaînes lourdes et n chaînes légères. La kinésine et la dynéine ont la capacité de « marcher sur le microtubule », chacune dans une direction opposée : → La kinésine permet de transfert des vésicules et organites vers la périphérie de la cellule → La dynéine permet de transfert des vésicules et organites vers le centre de la cellule L’énergie nécessaire pour ces déplacements est fournie par l’hydrolyse de l’ATP. Ci-dessous sont détaillées les étapes du déplacement de la kinésine : - La kinésine « marche » sur les tubulines β - Elle hydrolyse l’ATP, ce qui fait que son 2ème pied se fixe - Libération de l’ADP et du Pi - Changement de conformation qui fait tourner la molécule de kinésine - Le 1er pied vient se fixer sur la nouvelle tubuline β → C’est l’hydrolyse de l’ATP et la libération de l’ADP et du Pi qui entrainent cette « vrille » et qui donnent cette impression de « marche » sur le microtubule. 16 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024 Les microtubules sont reliés au centrosome près du noyau. Le centrosome est constitué de 2 centrioles d’orientations opposées (orthogonales) ainsi que d’une matrice péricentriolaire importante pour la croissance du microtubule → C’est le centre organisateur du microtubule. Le centriole est constitué de 9 triplets de microtubules, disposés en rayons de roue. Il se duplique en phase G1+S et sert à orienter le fuseau mitotique. 17 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024  5.3- Rôle des microtubules Structure des organites Ils favorisent l’organisation des organites en adhérant à leur membrane : permettent l’organisation du Golgi en saccules et du réticulum endoplasmique en canalicules. Transport des molécules - Assurent le transport des vésicules vers le Golgi - Adressent les molécules vers des points précis du cytoplasme - Favorisent le transport de ou vers la membrane (exocytose, endocytose) Déplacement des liquides extracellulaires Les battements des cils orientent les mouvements des liquides bronchiques et intestinaux. Déplacement de la cellule La dynéine assure la mobilité du microtubule qui génère les mouvements du flagelle puis le déplacement des spermatozoïdes. CONCLUSION Le cytosquelette est un ensemble de protéines intracellulaires qui régulent la structure, la mobilité et l’activité de la cellule. Il y a trois types de constituants : - Les microfilaments d’actine - Les filaments intermédiaires - Les microtubules → Ils sont tous les trois des polymères de monomères (actine, filaments intermédiaires et tubulines  et ) 18 UNIVERSITE PARIS CITE 2023/2024