Cytosquelette
Les cellules se déforment passivement ou activement (muscle), se déplacent (spermatozoïdes, macrophages), résistent à des contraintes de pression (cartilage, os) ou de tension (peau, tendon) ou émettent des expansions plus ou moins mobiles (pseudopodes, villosités, cils et flagelles). Ces propriétés mécaniques sont liées à des adaptations du cytosquelette, un système de microfibrilles protéiques, qui existe dans toutes les cellules.
Le cytosquelette est un réseau interne très dense formé de
- microfilaments d’actine d’un diamètre de 5 à 8 nm
- filaments intermédiaires , notamment les kératines, de 8-10
nm
- microtubules de tubuline: 24 nm
Les filaments et tubules résultent de la polymérisation dans
le cytosol de monomères de forme globulaire (actine, tubuline)
ou allongée (kératines). Le cytosquelette est en perpétuel
remaniement avec des phases successives de polymérisation et
de dépolymérisation contribuant à la déformabilité de la
cellule.
I.
les microfilaments d’actine
A. Définition : C’est une protéine abondante (de 2 à 5 % de la masse protéique cellulaire dans la plupart des cellules, 10 % dans les cellules musculaires), qui se répartit dans tout le cytosol en formant un réseau très dense. Elle est facilement marquée par de la phalloïdine couplée à de la fluorescéine. Elle est codée par 6 gènes chez l’homme, de séquence très conservée au travers des espèces.
B. Les monomères d’actine globulaire (actine G) sont associés à l’ATP ou l’ADP et au Mg++ qui se logent au sein d’une crevasse centrale. Les polymères d’actine fibrillaire (actine F) forment une double hélice torsadée. La polymérisation d’actine G en actine F est influencée par l’ATP, par la concentration en Mg++ et par la force ionique du milieu. La cytochalasine est un poison qui empêche la polymérisation de l’actine; la phalloïdine empêche la dépolymérisation de l’actine. Le microfilament d’actine est polarisé et croît par une seule extrémité. L’hydrolyse de l’ATP en ADP favorise la dépolymérisation
C. Les fibrilles d’actine s’arrangent parallèlement pour former
des faisceaux ou se rejoignent par des contacts à angle large
ou droit (réseau). Des protéines de pontage lient les
structures d’actine :
C.1. la
fascine crée les faisceaux
C.2. la
filamine réticule les faisceaux
C.3. la
spectrine du réseau cortical lie l’actine à l’ankyrine et
à la bande III de la membrane plasmique
C.4. la
villine et la fimbrine lient les faisceaux d’actine dans
les microvillosités des bordures en brosse des épithéliums
d’absorption (intestin, tubule rénal).
C.5. la
dystrophine, une protéine de la famille des spectrines,
lie l’actine à un complexe glycoprotéique de la membrane
plasmique du muscle, lui même lié à des protéines de la
matrice extracellulaire (laminine, agrine). Son absence
secondaire à une mutation du gène provoque la maladie de
Duchenne (une myopathie progressive).
C.6. la
profiline favorise la polymérisation de l’actine en
facilitant l’échange de l’ADP par de l’ATP. Le complexe
profiline-actine est abondant dans le front de migration du
fibroblaste en migration (ruffle)
C.7. la
gelsoline, au contraire, fragmente les filaments d’actine
et favorise la transition gel --> sol, d’où une fluidification
locale du cytosol permettant la déformation et la mobilité
cellulaire.
C.8. les
myosines se déplacent le long des filaments d’actine en
utilisant l’énergie fournie par l’hydrolyse de l’ATP (fonction ATPasique de la myosine favorisée par l’actine). Ce
déplacement nécessite du calcium. La myosine I (une tête
globulaire) est le moteur des mouvements du cytosol
(pseudopodes, endocytose ou exocytose); la tête s’attache à
l’actine; la queue à la membrane plasmique ou à celle des
vésicules. La myosine II (2 têtes globulaires) est responsable
de la contraction musculaire ( cf cours de physiologie ); les
têtes réagissent avec l’actine; les queues forment les
filaments épais des cellules musculaires striées.
D. L’actine liée aux myosines (I, II) joue de multiples rôles
D.1. L’actine constitue les fibres de stress des fibroblastes qui
s’orientent selon les contraintes imposées à la cellule. Les
faisceaux d’actine et de myosine (actomyosine) sont reliés aux
points de contact focaux (ou plaques d’adhérence) qui les
arriment à la membrane plasmique et par delà aux protéines de
la membrane extracellulaire. Des protéines adaptatrices (a-actinine,
vinculine...) assurent l’arrimage de l’actomyosine aux parties
intracytoplasmiques des cadhérines et des intégrines. La
polymérisation de l’actine et la formation des plaques
d’adhérence sont régulées par des petites protéines G (Ras,
Rac, Rho) , elles mêmes activées par des signaux de
transduction impliquant la PKC (protein kinase C):
ex: les macrophages sont attirés par la
N-formylméthionyl-leucyl-phénylalanine, un tripeptide
d’origine bactérienne (chimiotactisme). Cette substance se lie
à un récepteur membranaire, active une protéine G avec pour
résultante des mouvements orientés de l’actomyosine et la
formation de points de contact avec le support dans le sens du
gradient chimique. Le gradient de calcium intracellulaire
oriente aussi le sens de déplacement de la cellule.
D.2. Un faisceau continu d’actine ceinture les cellules
épithéliales polarisées au niveau des jonctions adhérentes.
D.3.L’actomyosine sous corticale renforce la rigidité de la
membrane plasmique et modifie la répartition des protéines
intramembranaires (impossibilité du patching provoqué par un
anticorps si la myosine II est inhibée ou absente).
D.4. Un anneau d’actine réagissant avec la myosine II provoque la cytodiérèse (ou cytocynèse) c’est à dire la séparation des
cytoplasmes de deux cellules en fin de mitose.
II. les filaments
intermédiaires (FI)
Ils sont particulièrement abondants (x 10 fois l’actine) dans
certaines cellules spécialisées (cellules épidermiques,
axones). La disposition de leur réseau est proche de celle des
microtubules et différente de l’actine .
Ils représentent des polymères protéiques plus stables que
l’actine ou la tubuline; ils jouent surtout un rôle structurel
(phanères) et ne participent pas à la motilité cellulaire.
Ils proviennent de la polymérisation de protomères associant
une hélice centrale encadrée de domaines N et C-terminaux
globulaires. Cette polymérisation ne requiert pas d’ATP. Les
protomères s’associent en un dimère de deux hélices torsadées.
Les dimères s’associent eux mêmes avec un décalage pour former
des tétramères qui se mettent bout à bout en formant un
protofilament. Enfin les protofilaments se rassemblent en un
filament intermédiaire dont la section est composée de 32
protomères (structure en câble).
Les FI varient par leur structure primaire à la différence des
isoformes très conservées de tubuline et d’actine; ce sont les
extrémités N et C qui diffèrent alors que la structure
hélicoïdale qui forme un bâtonnet de 40 nm est très conservée:
* les kératines: Il y en a une
trentaine de types dont les cytokératines des épithélia de
revêtement. Le typage de la cytokératine prédominante par des
anticorps spécifiques permet de reconnaitre le tissu d'origine
d'une métastase (ex la cytokeratine 20 est caractéristique
d'une origine gastro-intestinale). Les kératines forment un
réseau flexible mais résistant qui soutient la forme
cellulaire et s’ancrent dans les desmosomes et hémi-desmosomes.
Les faisceaux de kératine sont en continuité par
l’intermédiaire des desmosomes ce qui permet la résistance aux
forces de traction. La mutation d’une cytokératine est à
l’origine d’une maladie génétique: l’épidermolyse bulleuse.
* la vimentine: elle est
caractéristique des cellules issues du mésoderme
(fibroblastes, cellules pseudo-épithéliales des séreuses). Les
anatomopathologistes utilisents des anticorps antivimentine
pour prouver qu'une tumeur est d'origine conjonctive (sarcome)
* la desmine: elle relie les
filaments contractiles entre eux et à la membrane dans les
cellules musculaires assurant la coordination et la
transmission du mouvement.
* la GFAP (glial fibrillary
acidic protein): ce sont les FI des cellules gliales.
* les neurofilaments: participent
avec les microtubules à la constitution du squelette des
prolongements neuronaux (axones et dendrites).
* les lamines (A, B, C): sont
représentées dans toutes les cellules. Ce sont les FI qui
compose la lamina, un réseau qui soutient l’enveloppe
nucléaire. La lamine B est fixée à la bicouche
phospholipidique par un résidu isoprényl. Au moment de la
mitose, les lamines sont phosphorylées par le MPF (mitotic
promoting factor - cf cours du Pr Teyssier ). Le réseau de
lamines est destructuré; les lamines sont dépolymérisées et
l’enveloppe nucléaire est fragmentée en vésicules . Le réseau
de lamine se reconstitue en fin de mitose.
La spécificité tissulaire des FI (sauf les lamines) est
utilisée en anatomie pathologique pour déterminer
l’histogenèse des tumeurs.
III.
les microtubules
Un microtubule est un ensemble de protomères de tubuline alpha et
beta arrangés en un tube creux de 24 nm de diamètre et long d’une
fraction de µm à quelques µm. La structure tubulaire assure
une grande rigidité. La section du tubule comporte de 10
(tubules en paire ou en triplet) à 13 (tubule isolé)
monomères. La structure tubulaire peut être stable (cils) ou
transitoire (cytoplasme, fuseau mitotique).
Dans la cellule interphasique, les microtubules convergent au
niveau du centre organisateur ou centrosome, situé prés du
noyau et de l’appareil de Golgi. Dans les cellules animales,
le centre organisateur comprend deux centrioles
perpendiculaires. Chaque centriole est constitué de 9 triplets
de microtubules. Les tubules centriolaires restent toujours
polymérisés même en présence de colchicine et au cours de la
mitose. Les microtubules sont polarisés, avec une croissance
qui s’effectue en s’éloignant du centrosome.
Dans les hétérodimères alpha-beta, il y a deux sites de liaison aux
nucléotides: le site alpha fixe du GTP qui n’est pas échangeable;
au niveau de l’unité beta, le site peut fixer du GTP ou du GDP.
Le GTP favorise la polymérisation des dimères alpha-beta. L’hydrolyse
du GTP en GDP favorise la dépolymérisation. Polymérisation et
dépolymérisation sont en équilibre instable avec des phases de
croissance ou de résorption des microtubules selon la
prédominance de l’une ou l’autre.
Des protéines sont associées aux microtubules (MAP:
microtubule associated protein). Certaines MAP stabilisent le
réseau microtubulaire et relient les microtubules entre eux (MAP
2 des corps neuronaux et des dendrites, protéine tau des
axones). D’autres MAP (kinésines, dynéines) assurent les
mouvements des organites et des vésicules le long des
microtubules; ces MAP ont une activité ATPasique, elles se
fixent par une extrémité au microtubule et par l’autre à
l’élément à transporter. Les kinésines assurent un mouvement
vers l’extrémité +, les dynéines vers l’extrémité -.
Le réseau microtubulaire est indispensable au rassemblement
des vésicules membranaires du réticulum et du Golgi qui
perdent leur forme et leur fonctions en présence de nocodazole,
un poison des microtubules.
A. fuseau mitotique
Les centrioles se dupliquent avant le début de la phase S du
cycle cellulaire. Pendant la prophase chaque centrosome se
place à un pôle de la cellule pour servir d’origine de
nucléation au fuseau mitotique. Certains microtubules (kinétochoriens)
s’arriment au centromère des chromosomes par le kinétochore,
d’autres (polaires) forment le cadre où se meuvent les
chromosomes, d’autres (astraux) insèrent le centrosome dans le
cytosol des deux nouvelles cellules. C’est le fuseau mitotique
qui capture les chromosomes, les arrange sur la plaque
équatoriale métaphasique et les sépare ensuite en deux jeux
égaux. Les mouvements du chromosome résultent de moteurs
protéiques (plusieurs KRP: kinesine related protein) et sur la
dynamique des tubules (polymérisation et dépolarisation). Des
KRP siègent au niveau des kinétochores; d’autres assurent le
glissement des tubules l’un par rapport à l’autre. La dynéine
insère les microtubules astraux à la membrane plasmique et
contribue ainsi au rapatriement des chromosomes.
La colchicine (antigoutteux) et la vinblastine (anticancéreux)
se lient à la tubuline libre et empêche sa polymérisation. Au
contraire, le taxol (anticancéreux extrait de l’if) empêche la
dépolymerisation du réseau microtubulaire. En perturbant la
déstructuration du réseau microtubulaire interphasique et en
gênant la formation du fuseau mitotique, ces agents bloquent
la mitose en métaphase.
B. flux axonal
L’axone d’un neurone périphérique peut mesurer près d’un mètre
(nerf sciatique). Le corps neuronal où sont confinés les
ribosomes, le réticulum et le Golgi synthétise des matériaux
(protéines, membranes) qui doivent être acheminés vers les
terminaisons nerveuses par un transport ou flux axonal. Le
transport se fait sous forme de vésicules membranaires rapides
(250 mm/jour) ou d’organites entiers (mitochondries). Ces
déplacements sont guidés par les microtubules et se produisent
dans les sens centrifuge et centripète; c’est la kinésine qui
est le moteur moléculaire du flux; cette protéine se fixe par
ses deux têtes globulaires à la tubuline et par sa queue à la
vésicule transportée; la liaison réversible de la kinésine et
de la tubuline nécessite l’hydrolyse de l’ATP. Dans
l’extrémité terminale, c’est la réaction myosine-actine qui
prend le relais pour le transport vésiculairre.
La perturbation de la polymérisation de tubuline par des
poisons du fuseau (vinblastine, taxol ...) compromet la
viabilité de l’axone et provoque une neuropathie périphérique.
C. cils et flagelles
Ces structures sont responsables d’un mouvement visible en
microscopie optique déplaçant la cellule par rapport au milieu
(flagelle des spermatozoïdes) ou le milieu par rapport à la
cellule (cils de la muqueuse trachéo-bronchique ou de la
trompe de Fallope).
Le mouvement des flagelles est lié à une ondulation quasi
sinusoïdale. Celui des cils est orienté par l’alternance d’un
battement de poussée et d’un battement de récupération.
Cils et flagelles comportent un faisceau central de
microtubules, l’axonème. L’axonème est constitué de 9 doublets
externes (un tubule complet de 13 tubulines + un tubule
incomplet de 9) entourant une paire centrale de tubules
complets. Chaque doublet est relié à son voisin par un bras de
nexine (protéine d’amarrage) et par deux bras de dynéine
ciliaire (protéine motrice) qui assure le glissement des
microtubules les uns par rapport aux autres. Ce glissement
exige de l’ATP. Des protéines radiaires relient les
microtubules périphériques à la paire centrale, elle même
rigidifiée par des protéines de liaison. La paire centrale
assure la solidité de la structure et l’orientation du
mouvement.
Cils et flagelles sont insérés dans le cellule au niveau des
corpuscules basaux dont la structure est faite de 9 triplets
sans axe central. Deux des microtubules du triplet se
prolongent dans les doublets du cil ou du flagelle. Les
corpuscules basaux se formeraient à partir des centrioles dont
la structure est très semblable et s’insèrent dans le
cytosquelette sous-cortical; cils et flagelles naissent ou
régénèrent à partir des corpuscules basaux.
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