LE CYTOSQUELETTE UE2 PAES S1 2010/2011 Faculté de Médecine Université de Limoges Dr Faraj jterro (3 ème étage bureau 315) 1
LE CYTOSQUELETTE I. GENERALITES II LES FILAMENTS D ACTINE ET PROTEINES ASSOCIEES A Structure et organisation dans la cellule B Dynamique des filaments d actine: C Processus impliquant les filaments d actine : quelques exemples 1) Cytosquelette d actine et mouvement cellulaire 2) Cytosquelette d actine et contraction cellulaire 3) Cytosquelette d actine et transports cellulaires 4) Cytosqueletted actine dactine, architectureet et adhérencecellulaires cellulaires 5) Cytosquelette d actine et mitose : rôle des filaments d actine dans la cytodièrèse III LES MICROTUBULES ET PROTEINES ASSOCIEES A Structure et organisation dans la cellule B Dynamique des microtubules C Fonctions cellulaires dépendant des microtubules et protéines associées 1 Microtubules, MAP, structuration du cytoplasme et transports cellulaires 2 Microtubules, MAP, centrosome, cils, flagelles et corpuscules basaux a Centrosome b Cils et flagelles D Microtubules, MAP et pathologies humaines IV FILAMENTS INTERMEDIAIRES ET PROTEINES ASSOCIEES A Structure et organisation dans la cellule B Dynamique des filaments intermédiaires C Classification des filaments intermédiaires D Fonctions des filaments intermédiaires i E Filaments intermédiaires et pathologies humaines V CONCLUSIONS 2
Les trois types de filaments du cytosqueltte Actine Tubuline NH2 Domaine central en hélice α COOH Variable selon le type de FI 7 nm Cortex cellulaire Lumière 10 nm 25 nm Centrosome Lamina Filaments d actine ou microfilaments Microtubules Filaments intermédiaires 3
Coiffes ATP et GTP Monomères Polymères instables Polymères stabilisés Monomères Filaments Protéines associées Protéines associées 4
Filaments d actine : structure et organisation dans la cellule ADP ADP ADP ADP ATP ATP ADP ATP ATP ATP Filaments d actine Faisceau étroit Réseau gel Faisceau large Filopodes Cortex cellulaire Fibres de stress 5
Filaments d actine : Dynamique Croissance Echange ADP/ATP Nucléation/Stabilisation ATP ATP ATP ATP Complexe de nucléation Arp2/3 ATP ATP EXT (+) ATP ADP ADP + ATP Monomère (actine G) Dimère Trimère Stable Instables Monomères ADP ADP Hydrolyse de L ATP LATP _ Recyclage ADP ADP Pi EXT ( ) Dépolymérisation Filament d actine (F actine) 6
Filaments d actine : Dynamique Nucléation : Phase de latence Elongation : Phase de croissance Plateau : Phase d équilibre Concentration de monomères dans la phase d équilibre = Cc % d act tine dans le filament Monomères d actine Oligomère Filament d actine en croissance Cc: Concentration critique Temps après ajout de Mg 2+ 7
«Treadmilling»: déplacement des filaments d actine «comme un tapis roulant» 8
Protéines associées à l actine : les protéines agissant sur la polymérisation ou la dépolymérisation des FA Protéines Mode d action la thymosine β Séquestre les monomères d actine et empêche tout assemblage la profiline Stimule la polymérisation à l extrémité (+) en favorisant l échange ADP/ATP au niveau de l actine G (compétition avec la thymosine) Actinthymosin la formine Se lie aux monomères d actine, initie la polymérisation à l extrémité (+) et facilite l action de la profiline la profiline EXT (+) le complexe Formeun site de nucléation ATP ADP Arp2/3 (formation de réseau de FA) + la cofiline/adf La cofiline se lie préférentiellement à l actine ADP au niveau de l extrémité ( ) couvre le FA et impose une torsion supplémentaire au FA ce qui affaiblit la liaison entre molécules d actine et accélèrent leur dissociation. ADP ATP ATP EXT ( ) le complexe Arp2/3 9
Toxines du cytosquelette d actine Nom Origine Mode d action Latrunculine Cytochalasines Phalloïdines Éponge de feu ramifiée (Latrunculia Magnifica) Moisissure (Helminthosporium Dermatioideum) Amanite phalloïde Se lie aux monomères d actine et les stabilisent entraînant (indirectement) ainsi une dépolymérisation des FA Bloquent la polymérisation d actine en se fixant sur l extrémité (+). Résultat net = une dépolymérisation des FA Bloquent la dépolymérisation des FA en se fixant sur leur côté : effet stabilisateur. Un des remèdes à l empoisonnement est de manger de grandes quantités de viande crue dont l actine lactine piège les phalloïdines baisse de la toxicité. Cytochalasine EXT (+) () Latrunculine ADP ATP ADP ATP Hydrolyse de l ATP ADP ADP ADP ADP ADP Dépolymérisation Phalloïdine EXT ( ) 10
Organisation des FA dans une cellule mobile Contacts focaux Fibres de stress Cortex cellulaire Filopodes α actinine Faisceaux larges (contractiles) Dimère de filamine Réseau Faisceaux étroits Fascine Faisceau contractile : espace entre filaments est large permettant à la myosine II de s intercaler Réseau lâche et flexible Faisceau parallèle : faisceau étroit et rigide empêchant la myosine II de passer 11
Deux types de faisceaux d actine Filaments d actine Fimbrine, villine (microvillosité) α Actinine (muscle squelettique) Faisceau contractile : espace entre filament est large Permettant à la myosine II de s intercaler Faisceau parallèle : faisceau étroit et rigide empêchant la myosine II de passer 12
Modèle d expansion du réseau de FA au niveau de la pointe d une cellule qui se déplace Membrane plasmique Désassemblage Cofiline Transport de monomères d actine Assemblage Complexe ARP 13
Filaments d actine et mobilité cellulaire 14
Sarcomère, en microscopie électronique Muscle Fuseau de myofibres Myofibrille Membrane plasmique Strie Z Strie Z Noyau Bande I Bande A Sarcomère Bande I Sarcomère Strie Z Bande I Bande A Bande I Strie Z 15
Organisation des filaments contractiles dans le sarcomère α actinine Strie Z CAP Z Titine Nebuline Tropomoduline Filament épais (filament de myosine) Filament mince (FA) Tête de Myosine Ext ( ) Ext (+) Bande I Bande Bande I 16
Cytosquelette d actine et endocytose Membrane plasmique Remaniement local du cortex d actine Vésicule d endocytose Queue d actine Déplacement Centre de la cellule Dynéine Extracellulaire Intracellulaire Réseau de FA en cours de polymérisation + Microtubules Déformation de la membrane plasmique et remaniement du cortex d actine Polymérisation des FA et formation de la vésicule d endocytose Propulsion de la vésicule d endocytose 17
Cytosquelette d actine et Exocytose Déplacement de la vésicule vers MP (FA+ Myosine courte) Fusion des membranes et Exocytose Filament d actine Membrane plasmique + Gelsoline + Ca ++ Kinésine + INT Microtubules Myosine courte Déplacement de la vésicule (MT+Kinésine) Clivage des FA par la gelsoline Désagrégation locale du cortex cellulaire 18
Clivage des FA par la gelsoline Gelsoline Ca ++ Clivage et Coiffe Filaments d actine 19
Filaments d actine et adhérences cellulaires 20
ORGANISATION MOLECULAIRE DES JONCTIONS ETANCHES occludine claudine Cellule A MP de la cellule A Espace intercellulaire MP de la cellule B Domaines extracellulaires courts Cellule B ZO = zonula occludens Domaine cytosolique lié à des protéines d ancrag (exemple : protéines ZO) protéines d ancrage liées aux filaments d actine 21
JONCTIONS ADHERENTES ET JONCTIONS ETANCHES DANS LES TISSUS EPITHELIAUX microvillosités Filaments d actine dans les microvillosités Jonctions étanches Jonctions adhérentes cadhérines ceinture d adhérence MP latérales des cellules épithéliales 22
JONCTION ADHERENTE = jonction C C par cadhérines classiques avec ancrage aux filaments d actine CELLULE A MP MP CELLULE B Filament d actine dactine CADHERINES Protéines d ancrage (caténine, vinculine, α actinine) 23
SUPERFAMILLE DES CADHERINES = CAM Ca ++ dépendantes Liaison cellule cellule : cadhérines CADHERINES organisées en dimère Espace extra cellulaire MP Caténines = prot. d ancrage dancrage Filament d actine 24
Microvillosités Coiffe terminale (matériel dense) Ext + filaments d actine Membrane plasmique Myosine I (bras latéraux) Protéines de réticulation (fimbrine et villine) 25
Filaments d actine et contacts focaux ( ) (+) Protéines d ancrage dancrage 26
Structure et organisation des microtubules GTP Fibroblaste + _ Protofilaments Lumière Ext (+) Centrosome Ext ( ) 27
Instabilité dynamique des microtubules Coiffe GTP Région moins stable de microtubule contenant des dimères de tubiline GDP Croissance raccourcissement Hydrolyse du GTP et perte de la coiffe 28
Toxines des microtubules Nom Origine Mode d action La Cholchicine La Vinblastine La Vincristine Le Taxol Colchique d automne ou Safran Batar Pervenche de Madagascar (vinca) (Catharanthus roseus) Epines de l if Se fixe sur les monomères de tubuline et empêche leur polymérisation, ce qui conduit au final à la dépolymérisation des MT. Elle bloque la mise en place du fuseau mitotique et par conséquent la division cellulaire Se fixent sur les dimères de tubuline entraînent leur agrégation et empêchent leur polymérisation. Ce sont des toxines antimitotiques utilisées en chimiothérapie anticancéreuse. Elles bloquent la mitose en inhibant la formation du fuseau mitotique. Se fixe sur les MT constitués et stabilise leur structure en bloquant leur dépolymérisation ce qui les rend non fonctionnels et tue préférentiellement les cellules mitotiques. 29
MAP stabilisatrices des MT dans les neurones Faisceaux larges Faisceaux larges Double immuofluorescence MAP2/ Tau 30
Microtubules et transports cellulaires : les MAP motrices Tête (ATPase) Queue Centripète Centrifuge Vers la périphérie de la cellule 31
Microtubules et transports cellulaires : les MAP motrices Dynéine Flux axoplasmique 32
Sites de nucléation (anneaux de tubuline γ) Le centrosome Paire de centrioles (diplosome) Centrosome Matrice de MAP tubuline γ tubuline α Site de nucléation tubuline β Microtubules Protéines MAP associées à l anneau de tubuline γ Protofilament 33
Microtubules A,B,C, Le centriole Centriole Liaison transversale Centriole en coupe Centriole en coupe Microscopie électronique 34
Organisation des microtubules dans un cil (ou flagelle) 35
Matrice de MAP Lame protéique ou bras radiaire Liaison transversale (nature protéique ) Microtubules : ABC A,B,C 3 protofilaments t en commun entre 36 Microtubules : B et C
Bras de dynéine interne Bras de dynéine externe B Pont de nexine A A B A B Structure 9+0 Doublet de MT périphériques A et B 37
Bras radiaire Bras de dynéine interne Bras de dynéine externe Pont de nexine Doublet tde MT centraux Gaine interne A B A B Doublet de MT périphériques A et B Axonème (structure 9+2) 38
Bras radiaire Doublet tde MT centraux Gaine interne A B A B Doublet de MT périphériques A et B Axonème (structure 9+2) 39
Battement ciliaire/mouvement de flagelle B A B A Protéines de liaison Hydrolyse de l ATP Les MT se plient base 40
Structure et organisation des filaments intermédiaires Monomère Domaine central en hélice α Dimère torsadé en hélice α Tétramère apolaire Protofilament Filament intermédiaire = 8 protofilaments 41
Les différentes familles de filaments intermédiaires Famille : nb d isoformes Expression cellulaire Commentaires sur leurs fonctions /applications Lamines : 3 (A, B, C) Vimentine : 1 Noyau de toutes les cellules eucaryotes Cellules mésenchymateuses, épithéliales et non épithéliales (fibroblastes, leucocytes, ) Constituent la lamina nucléaire. Maintien de la position du noyau dans la cellule et de l intégrité de l enveloppe nucléaire Identification de ces cellules par immunohistochimie antivimentine permet de distinguer les fibroblastes des cellules musculaires (desmine +) dans des sarcomes) Vimentines Desmine : 1 Spécifiques des cellules musculaires Relient les filaments contractiles entre eux, à la membrane plasmique et à l enveloppe nucléaire GFAP: 1 Astrocytes (SNC) Cellules de Schwann non myélinisantes (SNP) Identification des astrocytes par immunohistochimie anti GFAP: détermination des tumeurs d origine astrocytaire pour les distinguer des métastases ou des tumeurs développées à partir d oligodendrocytes Périphérine : 1 Certains type neuronaux : Formation des axones et dendrites dans le SNP Cytokératines : 20 type I (acide) type II (basique) Toutes les cellules épithéliales et annexes épidermiques (cheveux, poils, ongles) Dans les épithéliums malpighiens, comme l épiderme, les FI de cytokératines constituent des faisceaux très denses, ancrés sur la plaque dense des desmosomes (adhérence cellulaire). Immunohistochimie pour les cytokératines permet un diagnostic différentiel entre carcinomes (cancer de type épithélial et sarcomes (cancers des cellules conjonctives). Neurofilaments : 3 (NF L, NF M, Neurones (axones et dendrites) dans le SNC et SNP Dans les neurones, les neurofilaments participent à la formation de l axe des dendrites d et des axones et déterminent t NF H) (nestine : FI dans les cellules leur calibres. Ils confèrent une résistance de l axone (peut faire souches neurales) jusqu à 1m) aux diverses contraintes 42 GFAP : Glial Fibrillary Acidic Proteins, SNC: Système Nerveux Central, SNP: Système Nerveux Périphérique
Filaments intermédiaires et adhérences cellulaires dans la cellule épithéliale 43
DESMOSOME = jonction C C avec ancrage aux filaments Intermédiaires cadhérines desmosomales Plaque desmosomale = domaine cytosolique des CAM associé à des protéines d ancrage ( desmoplakine, plakoglobine ) Filaments intermédiaires ancrés à la plaque desmosomale (= kératine dans les cellules épithéliales) MP CELLULE A MP CELLULE B 44
HEMIDESMOSOMES = jonction C MEC par intégrines avec ancrage aux filaments intermédiaires Situés au pôle basal des c. épithéliales Adhérence à la lame basale Filaments intermédiaires (kératine) Protéines d ancrage intégrines MEC = lame basale 45