Licence de Biologie Cellulaire (L2)

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1 Faculté des Sciences de Luminy Année Licence de Biologie Cellulaire (L2) Module: Biologie Moléculaire de la Cellule II (BIO16) Cours: Le Cytosquelette Partie I Nicolas Bertrand nicolas.bertrand@univmed.fr

2 PLAN Introduction I. Les différents éléments du cytosquelette 1. Généralités sur la structure des différents filaments et des microtubules 2. Localisation sub-cellulaire des différents filaments et des microtubules 3. Les filaments et microtubules sont des «polymères» 3.1 Généralités sur les monomères constitutifs 3.2 L actine 3.3 La tubuline 3.4 Les protéines constitutives des filaments intermédiaires 3.5 Modalités d assemblage des microfilaments et des microtubules 3.6 Les microfilaments et les microtubules sont polarisés 3.7 Modalité d assemblage des filaments intermédiaires 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.1 Les réseaux et faisceaux de microfilaments et les protéines d assemblage 4.2 Les réseaux de microtubules et les MAPs 4.3 Des structures cellulaires formées de microtubules 4.4 Les filaments intermédiaires peuvent s associer en faisceaux par deux mécanismes

3 Introduction Paramécie Neurone Différents épithéliums

4 Paramécie Introduction

5 Introduction

6 Introduction Forme globale + structures cellulaires particulières (villosités, cils, projections ) Cette forme peut évoluer dans certaines conditions (division, migration, plasticité ) Organisation en tissus ou en organes (interactions cellule/cellule, cellule/matrice, résistance tissulaire) Transport et localisation D ARNm Cellules Eucaryotes Prolifération/division cellulaire Cytosquelette Mouvement/Migration Organisation des compartiments et organites Mouvements intracellulaires (vésicules, organelles,...) Endocytose/exocytose

7 Introduction

8 Introduction Qu est-ce que le cytosquelette? (composants, structure, localisation et organisation) Qu est-ce que la dynamique du cytosquelette? (manifestations, fondements et régulation) Quelles sont les fonctions du cytosquelette et comment les exerce t il?

9 1. Généralités sur la structure des filaments et des microtubules (Microfilaments) 13 protofilaments

10 2. Localisation sub-cellulaire des filaments et des microtubules Les outils permettant de marquer les filaments du cytosquelette Microscopie optique à fluorescence -anticorps divers anti-tubuline α ou β, divers anti-actine divers anticorps pour les FIs -phalloïdine couplée à un fluorochrome -protéines de fusion avec la GFP par exemple actine-gfp tubuline-gfp

11 2. Localisation sub-cellulaire des filaments et des microtubules Bleu: DAPI Vert: anti-tubulin-fitc Rouge: phalloidine-tritc Cellules endothéliales en culture fixées

12 2. Localisation sub-cellulaire des filaments et des microtubules Microfilaments Microtubules Filaments intermédiaires (FI) lamina Cellule en interphase Cellule en mitose Filaments de kératine (cellule épithéliale)

13 2. Localisation sub-cellulaire des filaments et des microtubules

14 2. Localisation sub-cellulaire des filaments et des microtubules Plantes Les microtubules sont corticaux en interphase

15 2. Localisation sub-cellulaire des filaments et des microtubules La lamina est formée par des lamines

16 2. Localisation sub-cellulaire des filaments et des microtubules Microfilaments Microtubules Filaments intermédiaires Ceinture d adhérence (cadhérines des jonctions d adhérence) Desmosomes (cadhérines) + + Hémidesmosomes (intégrines)

17 3. Les filaments et microtubules sont des «polymères» 3.1 Généralités sur les monomères constitutifs Microfilaments Microtubules Filaments intermédiaires Actine + ATP/ADP Dimère de tubuline + GTP/GDP Protéines diverses Globulaire Globulaire Filamenteuses α β Actine-G

18 3. Les filaments et microtubules sont des polymères 3.2 L actine - La protéine la plus abondante dans les cellules eucaryotes 10% du poids total pour les cellules musculaires/1-5% pour les cellules non musculaires - L actine est formée de 375 acides aminés Elle est très conservée au cours de l évolution Certaines espèces possèdent plusieurs gènes codant des isoformes d actine différentes (ces isoformes possèdent cependant des séquences très proches ne différant que pour quelques positions chez les vertébrés) Levures et Amibe: 1 seul gène actine Homme: 6 gènes Certaines plantes: jusqu à 60 gènes Vertébrés: 4 isoformes α-actine cellules musculaires (structures contractiles) 1 isoforme β-actine cellules non musculaires 1 isoforme γ-actine cellules non musculaires Il existe des Actin-Related Proteins ou Arp: Arp1 ( retrouvé dans complexe dynactine associé aux microtubules) Arp2/Arp3 ( retrouvés dans complexe de nucléation des filaments d actine, voir plus loin)

19 3. Les filaments et microtubules sont des polymères 3.2 L actine A: rabbit skeletal muscle actin B: Arp2 C: Arp3

20 3. Les filaments et microtubules sont des polymères 3.3 La tubuline -plusieurs tubulines sont présentes dans les cellules eucaryotes. Il s agit d une superfamille. -les familles de tubulines sont les tubulines α, β, γ, δ, ε, ζ, η. Il existe plusieurs tubulines α et β chez certains organismes (isotypes ou isoformes codées par plusieurs gènes). Les tubulines sont formées d environ 450 acides aminés. -les tubulines α, β et γ sont retrouvées chez tous les eucaryotes, les autres ne sont présentes que chez certains organismes. -les tubulines α et β constituent les microtubules. Elles sont très conservées au cours de l évolution (environ 60% d identité). -la tubuline γ est, en particulier, impliquée dans la nucléation des microtubules (voir II). Elle est aussi conservée au cours de l évolution. -la fonction des autres tubulines n est pas clairement identifiée mais, pour la plupart, on peut les retrouver associées aux centres organisateurs des microtubules et aux corps basaux (voir II). α β Remarque: la tubuline α est également liée à un GTP mais celui-ci n est ni échangeable, ni hydrolysable. Il n intervient donc pas dans les processus de régulation de la dynamique des microtubules (voir II).

21 3. Les filaments et microtubules sont des polymères 3.3 La tubuline Interaction non covalente très stable entre les deux tubulines pour former le dimère La structure de la tubuline α et β sont proches (environ 40% d identité)

22 3. Les filaments et microtubules sont des polymères 3.3 La tubuline

23 3. Les filaments et microtubules sont des polymères 3.4 Les protéines constitutives des filaments intermédiaires Types de FI polypeptides types et localisation cellulaires -Lamines nucléaires -lamines A, B et C -lamina nucléaire des cellules (type V) eucaryotes -Protéines -vimentine -cellules mésenchymateuses ressemblant -desmine -muscle à la vimentine -GFAP -astrocytes et cellules de Schwann (type III) -périphérine -neurones -Kératines -type I -cellules épithéliales et leurs dérivés (types I et II) (acide) (cheveux et ongles par exemple) -type II -idem (neutre/basique) -FI neuronaux -neurofilaments -neurones (type IV) (NF-L, NF-M, NF-H) -FI neuraux -nestine -cellules souches neuroépithéliales (type VI)

24 3. Les filaments et microtubules sont des polymères 3.5 Modalités d assemblage des microfilaments et des microtubules Actine-G Actine-F Microtubules Feuillet 2D

25 3. Les filaments et microtubules sont des polymères 3.6 Les microfilaments et les microtubules sont polarisés

26 3. Les filaments et microtubules sont des polymères 3.6 Les microfilaments et les microtubules sont polarisés

27 3. Les filaments et microtubules sont des polymères 3.7 Modalités d assemblage des filaments intermédiaires Structure des monomères des filaments intermédiaires: organisation en domaines.

28 3. Les filaments et microtubules sont des polymères 3.7 Modalités d assemblage des filaments intermédiaires Modèle d organisation des monomères en filaments

29 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.1 Les réseaux et faisceaux de microfilaments et les protéines d assemblage Protéine d assemblage 2 sites de liaison à F-actine Réseaux croisés/branchés Sous la membrane: charpente, bi-dimensionnel Cytoplasme: donne une consistance de gel, tri-dimensionnel Réseaux non croisés ou Faisceaux Parallèles: microvillosités, filipodes Parallèles avec polarité opposée: (ou anti-parallèles) fibres de tension, anneau contractile

30 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.1 Les réseaux et faisceaux de microfilaments et les protéines d assemblage Cytosquelette globule rouge

31 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.1 Les réseaux et faisceaux de microfilaments et les protéines d assemblage microvillosité

32 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.1 Les réseaux et faisceaux de microfilaments et les protéines d assemblage stéréocils Hair cell (cellules présentes dans la cochlée, oreille interne)

33 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.1 Les réseaux et faisceaux de microfilaments et les protéines d assemblage Fibres de tension

34 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.1 Les réseaux et faisceaux de microfilaments et les protéines d assemblage Groupe III: majoritaire + myosines (Cf III) : domaine de liaison à l actine-f

35 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.1 Les réseaux et faisceaux de microfilaments et les protéines d assemblage

36 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.1 Les réseaux et faisceaux de microfilaments et les protéines d assemblage

37 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.2 Les réseaux de microtubules et les MAPs Réseau radiaire Réseau non radiaire MAPs: Microtubule Associated Proteins

38 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.2 Les réseaux de microtubules et les MAPs tau MAP2

39 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.2 Les réseaux de microtubules et les MAPs

40 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.3 Des structures cellulaires formées de microtubules L axonème Corps basaux Centrioles

41 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.3 Des structures cellulaires formées de microtubules

42 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.3 Des structures cellulaires formées de microtubules

43 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.3 Des structures cellulaires formées de microtubules

44 4. Les filaments et microtubules forment des structures d ordre supérieur 4.4 Les filaments intermédiaires peuvent s associer en faisceaux par deux mécanismes 1. Interactions entre des domaines portés par les protéines qui constituent le filament. exemple: les neurofilaments. 2. Intervention de protéines accessoires qui permettent le pontage. exemple: la filaggrine pour les filaments de kératine; la plectine pour les filaments de vimentine. la plectine permet aussi l association des FIs avec les microtubules, les microfilaments d actine et certaines structures associées à la membrane plasmique. Pont entre un neurofilament et un microtubule Pont entre deux neurofilaments Faisceau de neurofilaments dans un axone (microscopie électronique)