I- Constituants propres du cytosquelette et protéines associées

Transcription

1 «Montrez comment les différents constituants du cytosquelette participent, par leurs propriétés, à l organisation fonctionnelle des cellules ainsi qu à leur division conforme» Introduction Définition du cytosquelette : Le cytosquelette d'une cellule eucaryote est l'ensemble organisé des polymères biologiques qui lui confèrent l'essentiel de ses propriétés mécaniques. Attention à l analogie avec le squelette d un individu car ici ces composantes sont constamment renouvelées par polymérisation (il s agit donc d un système dynamique) et elles interviennent dans de nombreux processus (mobilité et forme de la cellule, divisions, transport ) donc un rôle structurel mais aussi fonctionnel. Ceci est lié au fait que des protéines sont capables de s associer au cytosquelette et d interagir avec lui. Ce cytosquelette se retrouve aussi bien dans les cellules eucaryotes animales que végétales mais avec des différences notables. I- Constituants propres du cytosquelette et protéines associées I-1 Constituants propres du cytosquelette On distingue 3 types de fibres, différant entre elles par leur diamètre et les sous-unités dont elles sont constituées. I-1-1 Les microfilaments d actine : longues fibres de 7 nm composées de deux longues chaînes polypeptidiques entrelacées comme deux cordons de perles. La perle correspondant à la protéine globulaire de l actine. Ce réseau se retrouve surtout au niveau périphérique du cytoplasme, sous la membrane plasmique. Mais il existe aussi un réseau de filaments d actine (ou câbles de stress) qui traversent la membrane. Ils sont ancrés, d un côté à un point focal de la membrane plasmique et, de l autre côté, à un point focal de la membrane opposé ou à une structure cytoplasmique appelés corps dense. Ce câble est constitué d une succession de corps denses composés d α-actinine. Ces corps denses servent d ancrage à des filaments d actine dont l extrémité + est fixée au corps dense. Mais ces fins filaments d actine ne relient pas directement ces corps denses. Ce sont des rubans bipolaires de myosine qui assurent la continuité des câbles. Les points focaux sont des assemblages de protéines, dont la taline, transmembranaire et la vinculine. Ces câbles sont disposés de façon à résister aux forces exercées sur la cellule.

2 I-1-2 Les filaments intermédiaires : composants les plus stables du cytosquelette des cellules animales. Constitués d un entrelacement de protéines fibreuses résistantes et constituant des structures d un diamètre de 8 à 10 nm, intermédiaire! Les fibres utilisées sont hétérogènes et varient selon les types cellulaires : vimentine, la plus commune mais aussi kératine (cellules épithéliales) et neurofilaments dans les cellules nerveuses. Ces filaments constituent un réseau sur l ensemble du cytoplasme ; sous la membrane nucléaire interne, ils constituent la lamina. Filaments intermédiaires Localisation Rôle Lamines Nucléaire, tout type de cellule Architecture du noyau Vimentine Cellules mésoblastiques, fibroblastes Desmine Cellules musculaires Cellules nerveuses : gliales Cytokératines Cellules éptihéliales Résistance et imperméabilité Neurofilaments Cellules nerveuses : neurone Armature axones et dendrites GFAP (Glial fibrillary acidic protein) I-I-3 Les microtubules : constituants les plus rigides du cytosquelette. Ce sont des tubes creux d un diamètre de 25 nm et constitués de 13 protofilaments protéiques disposés en couronne. Ces protofilaments constitués de la polymérisation de tubuline (association de deux molécules de tubuline α et β en dimère) sont disposés en couronne autour d un cœur creux. Ces microtubules constituent un réseau ayant pour centre, le centrosome d où ils irradient (extrémité proche du centre de nucléation (-) et celles qui sont éloignées (+). Ils sont caractérisés par une instabilité dynamique qui peut entraîner un raccourcissement brutal et donc engendrer une force importante.

3 I-2 Protéines associées au cytosquelette Protéines non motrices : Non contractiles de polymérisation/dépolymérisation et d organisation en faisceau et réseau pour les microfilaments : ARP2/3, CAP Z, fimbrine, a-actinine, filamine et Dans les microtubules, MAP (Microtubule associated proteins) -2 et -4 et Tau surtout dans les corps cellulaires neuronaux et les dendrites et Tau dans les axones. Protéines de coiffe des filaments d actine : elles se lient à l une ou l autre des extrémités des filaments d actine et bloque l adjonction ou la dissociation des sous-unités, - protéines de la famille de la gelsoline, activées par la présence d ions Ca++, protéines de coiffe à six domaines - fragmine et séverine, à trois domaines - protéines de coiffe hétérodimériques qui coiffent les extrémités en brosse avec une grande affinité et indépendamment du Ca++ - le complexe Arp2/3 qui coiffe les extrémités pointues de l actine et assure la nucléation de la polymérisation de l actine. La profiline, les ADF/cofilines interviennent dans le recyclage des sousunités Moteurs moléculaires * Myosine qui utilise l énergie de l hydrolyse de l ATP pour les microfilaments : myosine I, non filamenteuse et myosine II filamenteuse, toutes deux responsables des mouvements. * Dynéine et kinésine qui utilisent l énergie de l hydrolyse du GTP pour les microtubules. Elles assurent le transport des organites ou des vésicules dans les différents compartiments cellulaires le long des microtubules. II- Les rôles du cytosquelette dans une cellule eucaryote II.1 Structure de la cellule et des organites II.1.1 Structure de la cellule - enveloppe nucléaire Rôle des filaments intermédiaires dans l enveloppe nucléaire comme soutien. Le réseau de lamines est déstructuré et l enveloppe nucléaire fragmentée lors de la mitose.

4 - microvillosités :expansion de la membrane plasmique dans certaines cellules épithéliales (épithélium intestinal, épithélium pulmonaire ). - cils et flagelle : formation de l axonème. Cet axonème contient des microtubules qui peuvent glisser les uns par rapport aux autres grâce à, la dynéine, par hydrolyse de l ATP. Ceci permet le mouvement mais ce mouvement est contrôlé. La différence essentielle entre cils et flagelles est essentiellement leur longueur et leur abondance. II.1.2 Maintien de la forme et cohésion des cellules Des microfilaments interviennent dans le maintien de la forme cellulaire en s appuyant sur des protéines membranaires associées telles que les spectrines (GR) Le cytosquelette intervient aussi pour maintenir la cohésion des cellules. On maintient une jonction étroite entre les cellules au niveau des desmosomes ou des zonula adherens, sites de liaison pour les filaments intermédiaires et les filaments d actine, respectivement. Les deux font intervenir des molécules transmembranaires d adhérence, les cadhérines (Cadhérine E pour les zonula adherens et cadhérines sous forme desmogléine et desmocolline au niveau des desmosomes). II.2 Mobilité cellulaire II.2.1 déplacement au niveau des cellules (cils, flagelles)

5 II.2.2 Raccourcissement des cellules - cellules musculaires Lorsque la cellule se raccourcit et que ceci se reproduit à grande échelle, l organe entier se raccourcit : cas des muscles. La cellule musculaire striée se raccourcit en raison des interactions entre le myofilaments d actine et ceux de myosine. La myosine hydrolyse l ATP se déplace par rapport aux actines. Cette contraction est dépendante de la présence d ATP mais aussi par la concentration en ions Ca++. La contraction est la résultante du glissement des filaments d actine sur les filaments de myosine II. Au début du cycle, la tête de la myosine II est attachée à l actine mais une molécule ATP vient se fixer sur cette tête. La tête de myosine s éloigne. L hydrolyse de l ATP en ADP + Pi induit le changement de position de la tête et la tête d attache de nouveau à l actine. Le Pi étant libéré, la tête se remet en position de départ et il s ensuit le mouvement. Mais le Ca++ et la tropomyosine II/troponine interviennent dans la régulation de la contraction. Une de ces protéines accessoires est la troponine (18 kda), qui fixe le Ca++. La deuxième est la tropomyosine-ii (35 kda), constituée de deux chaînes protéiques enroulées autour du filament d'actine et pouvant masquer ou démasquer le site de liaison actine/myosine-ii. En absence de Ca++, la tropomyosine-ii empêche la tête de myosine-ii d'interagir avec les filaments d'actine et en présence de Ca++, et sous influence de la troponine, la tropomyosine-ii se déplace légèrement, permettant ainsi l'interaction entre actine et myosine-ii.

6 II.2.3 Déplacement de la cellule Cellules amiboïdes Ce type de locomotion est utilisé chez les protozoaires amibes, les cellules immunitaires et lors des mouvements de gastrulation, lors du développement embryonnaire (cellules en bouteille ) Ce type de mouvement fait intervenir l actine et des protéines qui se lient à elle ou qui contrôlent sa polymérisation. Formation d un pseudopode par dépolymérisation actine F en G, augmentation de la pression osmotique et entrée d eau. Le pseudopode s accroche au substrat par des molécules d adhérence et l actine se polymérise. II.3. Activité métabolique II.3.1 Transport de substances dans la cellule II Cellules nerveuses Transport de vésicules dans les axones assuré par deux molécules, la dynéine et la kinésine qui s associent par leur tête globulaire aux microtubules et par leur région terminale aux vésicules de sécrétion. La kinésine assure le transport du corps cellulaire vers l axone (antérograde) vers le pôle + des microtubules et la dynéine, l inverse (rétrograde). Dans la partie terminale de l axone, le relais est pris par la myosine associée aux filaments d actine. II Transport de vésicules à l intérieur de la cellule - transport des vésicules de phagocytose, endocytose et pinocytose

7 - transport des vésicules entre le RE et le golgi - transport des vésicules membranaires vers leur lieu d adressage dans les cellules polarisées - transport viral III- Rôle du cytosquelette dans la division cellulaire III-1 Régulation au cours du cycle cellulaire Diagramme du centriole montrant l organisation montrant les 9 triplets de microtubules (A, B et C). Structure semblable à la partie antérieure du flagelle ou au corps basal des cils. Cycle du duplication des centrioles au cours des phases G1 et G2 III-2 Création du fuseau mitotique et migration des chromosomes Prophase : condensation des chromosomes, disparition des nucléoles et disparition de l enveloppe nucléaire par phosphorylation des protéines de la lamina Les microtubules s attachent aux centrosomes par leurs extrémités (-), l extrémité (+) est instable et peut d une croissance uniforme à un raccourcissement rapide par dépolymérisation. Les microtubules s orientent de façon à repousser les pôles du fuseau. Les centrosomes qui se sont dupliqués en phase G1 et G2 s éloignent l un de l autre. Autour de ces centrosomes, les microtubules s orientent, certains en structure étoilée, l aster, les autres forment les microtubules du fuseau entre les centres mitotiques, les mcirotubules polaires. Les kinétochores, structures à

8 trois couches se développent et s attachent aux centromères. Les microtubules de ces kinétochores se développent et vont progressivement s attacher aux microtubules polaires. Prométaphase : les centrosomes sont de part et d autre du «noyau» et les microtubules se lient aux chromatides au niveau des kinétochores. Les microtubules qui se sont attachés aux kinétochores sont maintenant appelés microtubules kinétochoriens. Ils sont responsables des tensions sur les chromosomes et entrainent les mouvements des chromosomes observables. Métaphase : Stabilisation sur le plan équatorial. Les chromosomes sont alignés sur le plan équatorial. La tension exercée par les deux kinétochores d un même chromosome par les microtubules kinétochoriens st constante et équilibrée. Vent polaire ou force d exclusion astrale intervenant probablement pour le maintien des chromosomes en position équatoriale. Anaphase : clivage des centromères et migration des chromatides vers les centrosomes L action des microtubules polaires contribuent à la séparation des chromosomes fils. Télophase : disparition des microtubules kinétochoriens, désassemblage des kinétochores et reformation de l enveloppe nucléaire.

9 Les microtubules kinétochoriens disparaissent par dépolymérisation. Les trois types de microtubules intervenant III-2 Formation des cellules filles ou cytodiérèse ou cytocinèse : Anneau contractile : constitué d actine et de myosine. Juste avant la séparation, il ne reste plus que le corps intermédiaire qui contient les restes des microtubules polaires et une structure matricielle dense.

10 III-3 Régulation du cycle cellulaire L un des mécanismes régulateurs fait intervenir les filaments intermédiaires de la laminine. Si cette dernière est phosphoryle, l enveloppe nucléaire disparaît. La lamina (réseau de lamines polymérisées) est située sous l'enveloppe nucléaire et la consolide ; à la prophase, suite à l'action du MPF, la phosphorylation des lamines entraîne la dépolymérisation de la lamina. L'enveloppe nucléaire, fragilisée, se vésicularise ; les lamines B restent associées à de petites vésicules (fragments de l'ancienne enveloppe nucléaire) ; ceci facilitera la reformation de l'enveloppe à la télophase (après inactivation des MPF) : les lamines déphosphorylées se repolymérisent au contact des chromosomes et les vésicules fusionnent pour reconstituer l'enveloppe nucléaire autour des chromosomes. Conclusions Le cytosquelette est essentiel à la vie des cellules. Il intervient dans les cellules spécialisées et les autres cellules pour le transport des vésicules, des substances, des organites. Il constitue également un effecteur et un élément de régulation. Le cytosquelette intervient, également, dans le règne végétal mais de façon différente : pas de centrioles (sauf algues et certains gamètes) et la présence d une paroi végétale spécifique (pectocellulosique) qui conduit à une cytodiérèse différente. En absence de centriole, il y a intervention d une calotte polaire qui émet des rayonnements pour former le fuseau mitotique. On a récemment mis en évidence la présence d un cytosquelette chez les procaryotes dont un élément homologue de l actine et une protéine jouant un rôle dans la cytodiérèse mais leur organisation semble différente. Types Microfilaments Filaments intermédiaires Rôles Migrations des cellules Contractilité cellulaire Migrations organites et vésicules Endocytose/exocytose Lamines de l enveloppe nucléaire Neurofilaments des axones et des dendrites Microtubules Déplacement cellulaire (flagelles) Mobilité des pôles cellulaires (cils des cellules intestinales, bronchiques) Transport des substances dans les neurones (axones) Transport des vésicules (vers Golgi) et des lysosomes Transport des ARNm et des protéines Déplacement des organites (RE) Migration des chromosomes