Enveloppe et pore nucléaire
I. L'enveloppe nucléaire
Le noyau est séparé du cytosol par
une double membrane formant l'enveloppe nucléaire. Les deux
membranes constituant l'enveloppe ont une composition et une
organisation en lipides similaires, proche de celles du
réticulum granuleux. .
La membrane interne de cette enveloppe est en contact avec le
nucléoplasme et la chromatine, alors que la membrane externe
qui fait face au cytoplasme est en continuité avec la membrane
du réticulum endoplasmique.
La face interne de la membrane interne est tapissée par un
feutrage protéique, la lamina constituée par des filaments de
lamines. L'espace intermembranaire appelé espace péri
nucléaire est occupé par la partie C-terminale de protéines
intrinsèques de la membrane interne, dont la partie
N-terminale se projette dans le noyau. Cinq de ces protéines
ont été caractérisées. Il s'agit en particulier de peptides
associés aux lamines (Lamine Associated Polypeptides, LAP) ,
du récepteur de la lamine B (Lamin B Receptor, LBR), et de
l'émeri ne. Leur rôle reste à peu prés inconnu. Elle
participent sans doute avec les lamines à l'organisation et au
remodelage de la chromatine péri-nucléaire génétiquement «
silencieuse ».
Cette enveloppe est interrompue par des complexes
macromoléculaires, les complexes des pores nucléaires (CPN)
qui mettent en relation le noyau et le cytoplasme et
permettent les échanges nucléo-cytoplasmiques.
II. Les pores nucléaire
Les CNP sont formés chez l'homme
d'environ 50 protéines différentes appelées nucléoporines. Le
nombre des PN qui dépend de l'état fonctionnel de la cellule
est d'environ 4000 à 6000 dans une cellule de mammifère. .
Le NPC apparaît comme un anneau de 120 nm de diamètre et de
200nm de hauteur. Son poids moléculaire est de 125 MDa chez
les vertébrés.
La structure tridimensionnelle des CNP comporte deux constituants principaux.
-
Deux anneaux, cytoplasmique et nucléaire, comportant 8 sousunités globulaires. Ces deux anneaux sont reliés par des rayons issus des sous-unités, l'ensemble formant une cage cylindrique.
Les sous-unités de l'anneau cytoplasmique émettent dans le cytoplasme 8 fibrilles d'une longueur de 50 nm et d'un diamètre de 2 à 3 nm. Les sous-unités de l'anneau nucléaire émettent 8 filaments de 100 nm de long qui se fixent sur un anneau distal de plus faible diamètre, format le "panier ou cage nucléaire". -
Le transporteur central de 1 a nm de diamètre sur 15 nm de longueur est localisé au centre de la cage cylindrique à la quelle il est relié par un anneau interne.
L'ensemble des éléments est enchâssé dans l'enveloppe nucléaire par un anneau luminal et stabilisé par différents types de protéines membranaires dont les lamines.
Les nucléoporines sont localisées
dans les sous-unités des anneaux et sur les fibrilles et
filaments. Elles interviennent dans la reconnaissance et le
guidage des molécules transitant à travers le CPN.
III.
Transport nucléo-cytoplasmique
Les pores nucléaires sont
perméables aux petites molécules (tels les ions et les
nucléotides) d'un poids moléculaire inférieur à 5 kDa qui
diffusent instantanément. Les molécules d'un PM de 5 à 50 kDa
diffusent à une vitesse
proportionnelle à leur taille (diffusion facilitée). Les
molécules d'un PM supérieur à 50 kDa (tels les sous-unités des
ribosomes, les ARN, ou les composants du réplisome) sont
transportées par un mécanisme actif et sélectif.
A titre indicatif dans une cellule de mammifère en
prolifération un million de molécules par minute transitent à
travers les CPN (par exemple 200 molécules d'histones et 20
000 molécules d'ARNm).
La prise en charge des protéines' et des ARNm sous forme de
ribonucléoprotéines par le transporteur du CPN dépend de la
présence de séquences « signal» formées de quelques acides
aminés.
Les séquences d'importation nucléaire appelées Signal de
Localisation
. Nucléaire (NLS : Nuclear Localisation Signal) sont formées
de 4 à 8 acides aminés basiques est de type -Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-.
Ces séquences peuvent être organisées en deux blocs séparés
par une dizaine d'acides aminés. De plus elles peuvent être
inactivées et activées par phosphorylation et
déphosphorylation.
L'exportation dépend également d:une séquence «signal» appelée
Signal d'Exportation Nucléaire (NES: Nuclear Export Signal).
Les transports nucléo-cytoplasmiques dépendent de systèmes de protéines mobiles de transport qui interagissent spécifiquement avec les nucléoporines. Plus de 20 de ces transporteurs ont été identifiés dans les cellules humaines. La vectorisation du transport (N)C ou C>N) dépend de la distribution asymétrique des différents types de nucléoporines sur les faces nucléaire et cytoplasmique du pore.
Ces transporteurs appelés
karyophérines, d'un masse d'environ 100 kDa, sont de deux
types: les importines qui assurent le transfert du cytoplasme
dans le noyau, et les exportines exerçant la fonction inverse.
Ces molécules fixent la molécule à transporter ("cargo") par
leur domaine C-terminal via la séquence NLS ou NES, et elle
fixe sur un domaine Nterminal la protéine Ran-GTP/GDP qui joue
un rôle clef dans l'adressage nucléaire ou cytoplasmique du «
cargo ».
Cette molécule appartient à la famille des petites protéines G
à fonction GTPase, capables d'hydrolyser le GTP (guanosine
triphosphate) en GDP (guanosine diphosphate). Elles
interviennent dans de nombreux systèmes de signalisation
cellulaire.
Le sens du transfert dépend du gradient de concentration des
RanGTP/Ran-GDP et de l'affinité différentielle des exportines
et importines pour ces deux conformations. De plus le
recyclage de Ran est essentiel au maintien du gradient de ces
deux formes entre noyau et cytoplasme.
-
Les importines fixent leur cargo dans le cytoplasme selon un mécanisme qui dépend de Ran-GDP. Après transfert dans le noyau elles le libèrent après conversion de la conformation Ran-GDP en Ran-GTP par l'action d'une enzyme (appelée RCC1) qui phosphoryle le RanGDP en Ran-GTP. Grâce à cette enzyme strictement nucléaire une concentration élevée de Ran-GTP est maintenue dans le noyau.
-
Les exportines, au contraire fixent leur ("cargo") dans le noyau sous l'effet de Ran-GTP. Après transit à travers les pores nucléaires elles le libèrent en présence à la suite de l'activation de la GTPase de Ran qui convertit Ran-GTP en Ran-GDP. Dans le cytoplasme cette activité GTPasique est induite par un activateur appelé GAP (GTPase Activating Protein), localisé sur la face cytoplasmique du pore.
IV.
La lamina et les lamines
La lamina est un réseau
fibrillaires formant une structure grillagée qui tapisse là
face interne (nucléaire) de la membrane interne de l'enveloppe
du noyau. Elle joue un rôle important dans le maintien de la
forme du noyau, dans la stabilisation des pores nucléaires,
dans l'organisation et le fonctionnement du génome.
La lamina est formée par la polymérisation de molécules
filamenteuses constituant des réseaux carrés en feuillet d'une
dizaine de nm d'épaisseur, les lamines. Les lamines sont des
polymères appartenant à la famille des filaments
intermédiaires (FI) dont elles représentent un type
moléculaire particulier (type V). Les autres types de FI
forment des réseaux fibreux stables dans le cytoplasme. Cinq
types ont été caractérisés (1 à V) en fonction de leur
homologie de séquence (par exemple le type 1 est représenté
par les kératines). .
La structure secondaire de la molécule de lamine est
caractéristique des FI. Elle comprend une région centrale
formée par 4 domaines hydrophobes en hélice alpha (1 A, 1 B,
2A, 2B) hautement conservés dans les différents
types. Cette région en "batonnet" donne à la molécule sa
rigidité fibrillaire et permet la formation de dimères en «
superhélice » stable par l'enroulement de deux molécules
parallèles (motif "coiled-coil"). La séquence des extrémités N
et C terminales sont au contraire très variables, et
l'extrémité c terminale forme un domaine globulaire.
A l'état déphosphorylé les lamines forment des filaments
tétramèriques de 10 nm de diamètre par association latérales
de dimères. Ces tétramères qui édifient la lamina se
dissocient en mitoses lorsque les lamines sont phosphorylées,
ce qui permet la rupture de la membrane nucléaire.
Il existe deux types de lamines les lamines A et les lamines
B. Les lamines B sont présentes dans toutes les cellules,
alors que les lamine A ne sont produites que par les 'cellules
différentiées. Les lamines B (81 et 82) sont codées par des
gènes différents, alors que les 4 types de lamines A codées
par un seul gène sont les produits d'un épissage alternatif.
Les lamines A exercent probablement des fonctions biologiques
fondamentales, et sont indispensables au maintien de
l'intégrité des tissus. L'identification récente d'une
mutation du gène des lamines A dans une forme très rare de
vieillissement prématuré (la progéria) confirme cette
hypothèse.
REPRODUCTION COMPLETE OU PARTIELLE INTERDITE