LES 3 TYPES DE FILAMENTS PROTEIQUES DU CYTOSQUELETTE

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1 LE CYTOSQUELETTE Cellule en culture fixée et traitée au bleu de Coomassie qui colore les protéines. Notons la grande variété de filaments intracellulaires

2 LES 3 TYPES DE FILAMENTS PROTEIQUES DU CYTOSQUELETTE

3 Le cytosquelette des procaryotes Les microfilaments d'actine, les microtubules et les filaments intermédiaires n'existent pas chez les procaryotes par contre, la protéine FtsZ, homologue de la tubuline a été mise en évidence chez les bactéries La protéine FtsZ (fusionnée avec la GFP) forme une bande transversale fluorescente sur cette bactérie observée vivante au microscope photonique Observation de filaments et d'anneaux de FtsZ bactériens au microscope électronique

4 Les filaments du cytosquelette sont des polymères Polymères d'unités globulaires (actine G) pour les Microfilaments d'actine Polymères d'unités globulaires également pour les Microtubules (tubulines α et β ) Polymères d'unités fibreuses pour les Filaments intermédiaires (cytokératines..)

5 Les microfilaments d'actine L'actine est la protéine majoritaire des cellules eucaryotes (5% des protéines totales), on la trouve dans tout le cytoplasme. La moitiée est sous forme globulaire soluble, actine G, l'autre moitiée est polymérisée sous forme de filament d'actine F. Cortex cellulaire d'actine On remarque un réseau dense de microfilaments à la périphérie de la cellule = cortex cellulaire d'actine qui protège la cellule, lui donne sa forme, repousse les organites à l'intérieur, sert d'ancrage etc.. C'est à partir du cortex cellulaire d'actine que se forment certaines structures cellulaires comme les spicules, les microvillosités ou les lamellipodes Des spicules contiennent un faisceau d'actine et donnent naissance à un lamellipode (10µm de haut)

6 Structure et arrangement hélicoïdal des monomères dans un microfilament d'actine Le filament d'actine F est constitué d'une suite de monomères d'actine G disposés en quinconce (8 nmm de diamètre). Ce filament peut être décrit comme une hélice de monomères ou bien comme deux protofilaments qui s'enroulent l'un dans l'autre en double hélice à brins parallèles. Les microfilaments d'actine possèdent aussi une polarité bien définie avec une "extrémité plus" qui se polymérise plus vite et une "extrémité moins" qui se polymérise moins vite.

7 Structure de la molécule d'actine Extrémité (-) Extrémité (-) Le monomère d'actine G est une protéine au contour ovoïde, de 5 à 6 nm de diamètre et constituée de 375 a. aminés avec une masse moléculaire de 42kDa. La protéine actine G possède une structure très particulière : Elle est formé d'une succession d'hélices α et de feuillets β repliés en 2 lobes, mais non fermés du coté moins, ouvrant sur une poche centrale qui abrite un nucléotide (ADP ou ATP) comme on peut le voir sur la reconstitution après diffraction aux rayons X.

8 Polymérisation de l'actine in vitro en tube à essai Concentration critique Nucléation Nucléation Elongation Equilibre La polymérisation in vitro est possible en présence d'ions Mg++, K+ et Na+ et d'atp Tapis roulant à l'équilibre Polymérisation et dépolymérisation se produisent aux deux bouts, mais la croissance est plus rapide au bout + (5 à 10 fois).

9 In vivo, dans la cellule, c'est le complexe ARP2/ARP3 qui initie la nucléation en se fixant et en stabilisant le bout moins L'ARP est une protéine qui ressemble à l'actine "actin related protein". Le complexe ARP2/3 permet la nucléation du filament à partir de son extrémité (-) en stimulant la polymérisation dans le sens (+). Il peut aussi se fixer sur le coté d'un filament et permettre la formation d'un réseau

10 Le complexe ARP 2/3 stabilise le bout moins La protéine CapZ stabilise le bout plus

11 Les protéines CapZ, Gelsoline et Profiline se lient au bout + du monomères d'actine G pour réguler la polymérisation Un monomère bloqué sur son bout + ne peut plus se fixer à l'extrémité moins d'un filament

12 La Cofiline déstabilise les filaments d'actine La Cofiline est une petite protéine (14kDa) qui se fixe sur chaque monomère d'actine tout le long du filament en resserant et tassant l'enroulement naturel ce qui le fragilise et le rend plus facile à couper.

13 Les filaments d'actine du cortex déterminent la forme de la membrane plasmique et de la cellule Les propriétés de l'actine (polarité, polymérisation contrôlée) sont à l'origine des mouvements cellulaires. La cellule peut diriger la croissance des faisceaux d'actine et donner naissance à un : spicule (0,2 µm sur 10µm de long) lamellipode (à partir de plusieurs spicules) cable de tension ("stress fiber") cytoplasmique Spicule Lamellipodes Cables de tension Le spicule s'allonge et se rétracte (actine polymérise et dépolymérise) comme une antenne d'ecargot

14 L actine forme les spicules et les lamellipodes On observe sur cette préparation de cellule entière en microscopie électronique à transmission, la membrane ondulante d'une cellule en culture, dont on a extrait la membrane plasmique et la plupart des protéines solubles, par un détergent non ionique. Les filaments d'actine apparaissent : orientés en faisceau dans le spicule orientés en réseau dans le lamellipode. Whole-mount electron micrograph of the leading edge of a cultured cell that has been extracted with nonionic detergent to remove the plasma membrane and most of the soluble proteins. Note the oriented network of actin filaments in the lamellipodium, in which a microspike is embedded.

15 Le "ruffling" des lamellipodes et microspicules sur un fibroblaste en déplacement Lamellipodia and microspikes at the leading edge of a human fibroblast migrating in culture. The arrow in this scanning electron micrograph shows the direction of cell movement. As the cell moves forward, lamellipodia and microspikes that fail to attach to the tissue culture dish sweep backward over its dorsal surface - a movement known as ruffling.

16 Le cône de croissance des nerfs pousse et explore l'environnement de la cellule nerveuse pour établir une connection Allongement et retrait des filopodes (50 µm de long) du cône de croissance dun neurone

17 Rôle de l'arp dans la migration cellulaire Le complexe ARP 2/3 joue un rôle important dans la migration cellulaire en dirigeant les spicules et lamellipodes dans la bonne direction

18 Exemple de l'utilisation de l'actine par une bactérie infectieuse Listeria monocytogenes La listériose est une intoxication alimentaire (anthropozoonose). Ce germe est présent chez les animaux (intestin des bovidés, oiseaux),et peut se trouver dans la terre, le foin, les débris végétaux.. La bactérie ingérée par une nourriture peu fraiche peut traverser la paroi intestinale et induire divers symptômes de type grippal. Dangereux pour le fœtus et le bébé. La bactérie se déplace dans la cellule en provoquant la polymérisation d'un faisceau d'actine de la cellule hôte. Elle peut même sortir et pénétrer dans la cellule voisine en se faisant propulser par l'actin au bout d'un spicule.

19 Les différentes formes de l'actine sont régulées par des petites protéines G de la famille p21ras : Rho, Rac et Cdc42 Rho pour les cables Rac lamellipodes Cdc42 filopodes

20 L'actine sous ses différentes formes régulées par les GTPases dans le fibroblaste (Hall, Science 279: , 1998) Cables de tension Lamellipode Fillopodes et spicules

21 Des cils et des microvillosités au microscope électronique à balayage The figure shows a scanning electron micrograph of the luminal surface of the oviduct. It illustrates one difference between cilia and microvilli. The longer projections are cilia and the shorter projections are microvilli.

22 Les microvillosités au microscope électronique à transmission Les microvillosités, recouvertes de glycocalyx, sont des prolongements assez courts et trapus de la membrane plasmique (1µm de long sur 0,1µm de diamètre) en forme de doigt de gant, qui augmentent (10 fois) la surface des cellules absorbanges (bordure en brosse ). Elles sont formées par un faisceau de microfilaments d'actine qui s'enracine dans le réseau teminal du cortex d'actine.

23 Le réseau teminal des microvillosités après crypodécapage Observer les différentes protéines fibreuses (spectrine, myosin..) du réseau terminal Freeze-etch electron micrograph of an intestinal epithelial cell, showing the terminal web beneath the apical plasma membrane. Bundles of actin filaments forming the core of microvilli extend into the terminal web, where they are linked together by a complex set of cytoskeletal proteins that includes spectrin and myosin-ii. Beneath the terminal web is a layer of intermediate filaments.

24 Le faisceau de filaments d'actine au cœur des microvillosité La coeur de la microvillosité est constituée d'un faisceau de 20 à 30 filaments d'actine maintenus bien parallèles grâce à la villine et la fimbrine qui forme des petits espaceurs entre les filaments. Le faisceau est retenu au centre par des bras latéraux de myosine-1 et calmoduline qui fixent le faisceau à la membrane plasmique. Le bout + des filaments est au sommet de la microvillosité, inclus dans une substance amorphe mal définie. On observe du glycocalyx autour de chaque microvillosité.

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