Définition :

1-Cytosquelette :

Réseau complexe et hautement organisé composé de filaments protéiques. Il est présent dans le hyaloplasme et le nucléoplasme (milieu intranucléaire) des cellules eucaryotes (non présent chez les procaryotes qui ont la paroi en guise de squelette ni chez les virus).

2-Rôles :

Maintien de la forme de la cellule et résistance à l’affaissement
Disposition des organites de façon à ce qu’ils ne s’entassent pas
Assure la biomotilité par changement d’organisation (migration des chromosomes, mouvements amiboïdes, division cellulaire, transports vésiculaires)

3-Propriétés :

– Observable au MET (coloration positive et négative), au MEB et par immunofluorescence

– Réseau dynamique : morphologie variable

4-Éléments du cytosquelette :

4-1-Les microtubules :

– Structures cylindriques creuses et rigides présentes dans toutes les cellules eucaryotes à part l’érythrocyte (parce qu’il ne possède pas de centre cellulaire)

– Localisation : Ils prennent naissance dans le centrosome et s’irradient vers la périphérie cellulaire (sans fusionner avec la membrane)

– Structure et architecture moléculaire :

Au MET (coloration positive) les microtubules apparaissent comme des cylindres creux de 25nm de diamètre et 5nm d’épaisseur

Après coloration négative, le microtubule apparaît formé de 13 protofilaments parallèles, chaque protofilament est composé d’une succession en longueur, avec décalage et en symétrie hélicoïdale de dimères protéiques (tubulines α et β).

– Types de microtubules :

I-Les microtubules labiles : De longueur variable, ils subissent continuellement les phénomènes de polymérisation et de dépolymérisation. Ils sont présents dans le hyaloplasme et les fuseaux mitotiques

¬Biogenèse :

– Ils prennent naissance au voisinage du centrosome dans le matériel péricentriolaire : appelé centre organisateur des microtubules (COMT ou MTOC ou matrice MAPs). Il est composé d’isoformes de la tubuline : Tubuline α, β, γ, δ…etc.

– La tubuline γ se dispose en périphérie du COMT et forme un complexe en anneau : Le complexe tuRC. Celui-ci sert d’amorce pour l’assemblage des microtubules.

¬Etapes de la biogenèse :

- Mise en place de 13 tubulines γ
- Ajout des dimères actifs sur chaque tubuline γ
- Poursuite de la polymérisation par ajout de dimères actifs
- Fermeture hélicoïdale du feuillet de microtubule

¬Propriétés :

– Les microtubules constituent un réseau dynamique et polarisé. Chaque microtubule possède une extrémité (+) à polymérisation rapide et dépolymérisation lente dirigée vers la périphérie cellulaire et une extrémité (-) à polymérisation lente et dépolymérisation rapide dirigée vers le centrosome.

– La polymérisation se fait par ajout de dimères actifs (α-GTP, β-GTP) lorsqu’il y a une concentration élevée de GTP et une disponibilité des tubulines.

– La dépolymérisation se fait par perte de dimères inactifs (α-GTP, β-GDP).

Remarques :

- Le passage de β-GDP à β-GTP se fait non pas par phosphorylation mais par échange du GDP et du GTP
- Les dimères actifs ajoutés deviennent inactifs par hydrolyse du GTP en GDP par la tubuline β (elle a un rôle structural et enzymatique, contrairement à la tubuline α qui n’a qu’un rôle structural)
- Lorsque les conditions de croissance ne sont plus disponibles (concentration de tubuline- GTP faible) l’extrémité (+) se comporte comme une extrémité (-) (parce que l’association des dimères GDP est éphémère), il y a alors désarticulation, les protofilaments se séparent => Protofilaments effilochés. Et on retrouve des pertes => Sortie d’oligomères inactifs.

¬Effet des drogues : Certaines drogues perturbent la dynamique des microtubules :

- La Colchicine et la Vimblastine sont des dépolymérisants, elles agissent en empéchant la polymérisation par non reconnaissance des dimères
- Le Taxol est un stabilisateur : il empêche les gains et les pertes

Remarque : La Colchicine surtout est utilisée comme médicament anticancereux, c’est un anti- mitotique (à administrer en métaphase)

¬Protéines associées aux microtubules : Les MAP’s

- Les MAP structurales : Dans le neurone

-A la surface des microtubules labiles s’ajoutent des protéines structurales qui ont un rôle stabilisateur, ex : MAP2 : dans le corps cellulaire et les dendrites, elles stabilisent les le réseau en reliant les microtubules parallèles entre eux et Tau : sous forme de filaments, dans l’axone

Remarque : La mutation de la protéine Tau provoque son hyper-phosphorylation qui diminue son affinité au microtubule. Il en résulte une dépolymérisation des microtubules, ce qui empêche l’organisation en faisceaux => dégénérescence des neurones => Maladie d’Alzheimer.

- Les MAP motrices : Ubiquitaires

– Ce sont des moteurs moléculaires, ils transportent des structures diverses à la surface des microtubules labiles (les organites : Mitochondrie, ribosomes, appareil de Golgi, réticulums… + complexes moléculaires : ARN, enzymes, … + les vésicules)

– La Kinésine va vers le pole (+) : se rapproche de la membrane plasmique (mouvement antérograde) , La Dynéine va vers le pole (-) : se rapproche de l’intérieur de la cellule (mouvement rétrograde)

II- Les microtubules stables : Dans les centrioles, les flagelles et les cils.

¬Le centriole : au MET(+) le centriole apparaît comme un cylindre creux mesurant en moyenne 0.5 nm de longueur et 0.25 nm de diamètre. Il est formé de 9 triplets de microtubules inclinés A,B,C (de l’intérieur vers l’extérieur)

– Les triplets sont reliés par des ponts de Nexine entre A et C

– Extrémité proximale : C’est l’extrémité du centriole proche de l’autre centriole, elle est vide Extrémité distale : Liaisons protéiques en rayon de roue

– La duplication des centrioles se fait pendant l’interphase (commence en phase S et se termine en G2) avec semi conservation du centrosome (chaque centrosome possède un centriole parental et un centriole fils).

4-2-Les microfilaments fins d’Actine :

1-Définition : Les M.F.F d’Actine représentent le constituant essentiel du cytosquelette, ils permettent à la cellule d’effectuer des mouvements coordonnés et dirigés avec l’aide des protéines motrices. Ils sont ubiquitaires.

– Au MET avec coloration positive, ils apparaissent comme des structures filamenteuses rectilignes de 6 à 8 nm de diamètre.

– Après isolement et coloration négative : ils apparaissent formés de l’alignement d’actine G en une hélice monocaténaire hélicoïdale.

Remarque : l’actine G est de forme bivalve délimitant une crevace au centre de laquelle se fixe l’ATP ou l’ADP, elle possède des sites de fixation à d’autres monomères G => Formation de trimères.

2-Biogenèse : En 3 étapes :

- Nucléation : se produit sous la membrane et dans le hyaloplasme Un gabarit d’ARP 2/3 (activé par une GTPase) installe un trimère d’actine G-ATP => extrémité (-) du MF.

- Polymérisation : des molécules d’actine G-ATP s’ajoutent sur le trimère => Formation d’actine F
- Stabilisation : les filaments d’actine se polymérisent en ajoutant G-ATP et se dépolymérisent en hydrolysant lentement de l’ATP.

3-Propriétés :

- Polarité : extrémité (+) dirigée vers la périphérie cellulaire extrémité (-) dirigée vers le centre de la cellule
- Dynamique : Les M.F.F se polymérisent et se dépolymérisent continuellement aux deux extrémités. L’extrémité (+) est à polymérisation rapide (10 fois plus) et dépolymérisation lente et l’extrémité (-) l’inverse Remarque : cette dynamique n’a pas lieu dans les cellules musculaires, car l’actine est structurale et stable.
- Régulation de la dynamique : La polymérisation est stimulée par :

Un pool d’actine G-ATP libre
Une coiffe G-ATP
Concentration en ATP et Mg+2

Remarque : La dépolymérisation de l’extrémité (-) et la polymérisation de l’extrémité (+) induit le renouvellement du Mff selon le modèle de tapis roulant, le Mff peut garder une longueur constante avec un flux d’actine G à travers le Mff.

4-Sensibilité aux drogues :

- La Cytochalasine : se fixe sur l’extrémité (+), elle inhibe la polymérisation sur cette extrémité et favorise la dépolymérisation sur l’extrémité (-) => déstabilisation
- La Phalloïdine : se fixe sur les cotés latéraux du Mff, elle inhibe la dépolymérisation et inhibe l’hydrolyse de l’ATP, ce qui stabilise les monomères => stabilisation

¬Ces drogues ne sont pas des anti-mitotiques

5-Variétés d’Actine G :

Actine α : dans les cellules musculaires lisses et striées, elles forment les Mff d’actine des myofibrilles.

Actine β et γ : dans les cellules non musculaires, retrouvées dans :

– Le cortex sous-membranaire

– La ceinture d’adhérence des cellules épithéliales

– L’axe des microvillosités

– Les anneaux contractiles de la cytodiérèse

– Fibres de stress et Filopodes des cellules libres en mouvement

Remarque : Le Sarcomère : Unité de base des myofibrilles des muscles striés. C’est le sègement entre deux lignes Z :

6-Protéines associées aux MFF d’Actine :

A-Dans la cellule musculaire :

- Myosine II : Interaction avec l’actine, grâce à son activité ATPasique sur ses têtes pour assurer le mouvement. Ils forment les filaments épais entre les microfilaments d’actine du sarcomère

- α-Actinine : Pontage des MFF dans le sarcomère en les ancrant aux stries Z
- Tropomyosine : Protéine de stabilisation, masque les sites de fixation de la myosine en occupant les sillons de l’hélice d’actine
- Troponine : Formée de 3 sous-unités :

TNC : liaison avec Ca2+
TNI : inhibition de la liaison entre Myosine-Actine
TNT : liaison avec la tropomyosine

– En absence de Ca2+ elle empêche la contraction en masquant les sites de liaison de la Myosine. Quand elle se lie au Ca2+ elle se déplace et cesse d’empêcher la liaison entre l’Actine et la Myosine.

=> La Tropomyosine et la Troponine forment un complexe contrôlant la contraction musculaire par le Ca2+

B-Dans les cellules non musculaires :

- Profiline : Elle contrôle la polymérisation. Elle forme un pool d’actine G-ATP en stimulant l’échange de l’ADP par l’ATP => polymérisation rapide et locale
- Viline et Fimbrine : Organise le MFF en faisceaux serrés, la Fimbrine est présente dans l’axe des mirovilosités et les Filopodes, la Viline n’est présente que dans les microvillosités
- α-Actinine : (+ Myosine II) Forme des faisceaux larges contractiles. Elle s’associe au MFF d’actine dans : la ceinture d’adhérence des cellules épithéliales, les fibres de stress des cellules libres, l’anneau contractile des cellules en fin de division
- Filamine : organise le Mff en réseau (réticulation) en se fixant et en stabilisant les Mff croisés => forme le cortex sous-membranaire et favorise l’état gel.
- Gelsoline : Fragmentation des Mff favorisant l’état sol. En présence d’une forte concentration de Ca2+, Fluidification locale du cortex cellulaire lors de l’exocytose.
- Myosine I : Structuration : fixe les Mff à la membrane ; Mouvement : se déplace le long du Mff (actomyosine) entraînant avec elle les autres éléments : Microtubules, vésicules, MFF

- - Spectrine : Ancrage à la membrane ; Une extrémité du tétramère de Spectrine se lie au Mff, l’autre extrémité des protéines de la membrane (bande de 4, …Etc) ; Dans le globule rouge elle offre une troisième couche sous-membranaire lui conférant une plus grande rigidité et assure la forme biconcave du globule rouge.

4-3-Filaments épais de Myosine :

1-Définition : C’est une protéine motrice intra-cytoplasmique présente dans les cellules musculaires et non musculaires. Elle assure des fonctions contractiles et d’autres non contractiles. Il existe deux isoformes de myosine : Myosine I et Myosine II (les autres types de myosines ne seront pas traités)

¬Myosine II : Forme dans les cellules musculaires des filaments épais et bipolaires et dans les cellules non musculaires des filaments d’Acto-myosine.

– Elle est formée de deux têtes globulaires à activité ATPasique avec un domaine de fixation sur l’actine et une longue queue formée de deux chaines associées en hélice α

Activation de la Myosine II : Myosine II inactive –-(phosphorylation)——-> Myosine active (queue relâchée)———-(Auto-assemblage spontané)———> Filament bipolaire (de 15 à 20 molécules)

¬Myosine I : Forme dans les cellules non musculaires des filaments d’acto-myosine. Elle est formée d’une tête globulaire à activité ATPasique avec un domaine de fixation sur l’actine, et une courte queue se fixant à la membrane plasmique ou les membranes des vésicules à transporter.

– Activation de la Myosine I : Calmoduline inactive— (activation par Ca2+)–> Complexe Calmoduline-Ca2+ Actif – (activation)—> Myosine I kinase ——(phosphorylation) > Myosine I active

Remarque : Les filaments d’actomyosine formés par la Myosine I se lient à des Microtubules, des vésicules, d’autres microfilaments d’actines..

¬Les filaments épais de Myosine : De 10 à 15 nm d’épaisseur, ils sont formés de molécules de Myosine II phosphorylées

– Localisation : associées aux MF d’actine, ils forment les bandes A des sarcomères dans les cellules musculaires.

5-Les rôles du cytosquelette : Le cytosquelette assure plusieurs fonctions :

- Rôle structural
- Biomotilité intracellulaire
- Biomotilité cellulaire 1-

A-Le Globule rouge :

Interactions : Mf.Actine – Spectrine – Protéines membranaires ; La Spectrine est un tétramère composé de 2 chaines α et de 2 chaines β, d’un poids moléculaire de 1050 KD ; Au MET elle apparaît comme un réseau sous-membranaire en interaction avec les MF d’Actine et avec les protéines périphériques de la membrane comme l’Ankyrine

Rôle : Rôle structural : Elle assure la forme biconcave du Globule rouge. Elle assure aussi une souplesse et une possibilité de déformation pour circuler dans des vaisseaux sanguins de calibres différents.

B-L’Entérocyte :

¬Au niveau des microvillosités :

Interaction des Mff d’Actine en faisceaux serrés avec la Viline/Fimbrine (protéines de pontage) et la Myosine I (protéine d’ancrage à la membrane)

Remarque : La tête de Myosine I interagit avec le MF d’Actine et la queue avec la membrane plasmique.

La longueur des Mf d’Actine est stable dans la microvillosité malgré la polarité, celle-ci assure une dynamique équilibrée pour permettre le renouvellement protéique.

Rôle : Rôle structural : Rigidité de la microvillosité indispensable à l’absorption intestinale.

¬Au niveau de la Zonula Adhérense :

Interaction de Mff d’Actine en faisceaux larges contractiles avec l’α-Actinine (protéine de pontage contractile) et la Myosine II (disposition anti-parallèle)

Rôle : Rôle structural + biomotilité intracellulaire ; Contraction synchrone des cellules épithéliales.

=> Les Mf d’Actine et leurs protéines de associées participent à l’intégrité (fonctionnalité) de l’épithélium

C-La cellule mitotique :

– Après la métaphase et jusqu’à l’anaphase : Il y a polymérisation progressive des microtubules du fuseau mitotique (polaire) et dépolymérisation progressive des microtubules kinétochoriens

Rôle : Rôle de Biomotilité intracellulaire ; Ascension/Migration chromosomique

Remarque : Après l’anaphase et jusqu’à la télophase lil y a dépolymérisation du fuseau jusqu’à disparition totale

– A la télophase : Il y a mise en place de l’anneau contractile composé de MF d’actines antiparallèles reliés à leurs extrémités (-) aux têtes de Myosine II. Il y a une succession d’hydrolyse et d’échange de l’ATP et de l’ADP par la Myosine II, ce qui produit un phénomène d’attache/détache qui va libérer l’énergie nécessaire au glissement des Mf d’Actine vers l’extrémité (+) ==> Réduction du diamètre de l’anneau. En parallèle une dépolymérisation progressive de l’anneau assure l’étranglement cellulaire et la séparation de la cellule mère en deux cellules filles

Rôle : Rôle structural ; Etranglement ou cytodiérèse

D- La cellule musculaire : Les myofibrilles sont composées de MF d’Actine organisés en faisceau large+ Myosine II en organisation antiparallèle avec décalage pour former des faisceaux bipolaires + α-Actinine

Rôle : Biomotilité intra-cellulaire ; Mécanisme de la contraction musculaire :

- Ouverture des canaux calciques potentiels dépendants du réticulum sarcoplasmique => Libération du Ca2+ dans le sarcoplasme
- Activation de la Troponine C => changement de configuration du complexe Troponine et soulèvement de la Tropomyosine (sans se détacher)
- Interaction des MF d’Actine avec les têtes de Myosine II activées
- Hydrolyse des têtes, détachement et rebondissement sur les sites d’actine suivants en direction de l’extrémité (+)
- glissement des MF d’actines le long des filaments bipolaires de Myosine II => Raccourcissement du sarcomère
- Echange de l’ADP avec l’ATP et fixation des têtes de nouveau, le cycle reprend selon la concentration de Ca2+ libre
- Arrêt de la contraction : retour du complexe Troponine à sa position initiale grâce à la Troponine I

E-Le transport vésiculaire : Toutes les cellules à part le globule rouge Il y a deux processus cytotiques :

¬l’Endocytose : molécules nutritives, complexes récepteur/ligand, molécules toxiques

¬l’Exocytose : les sécrétions cellulaires : Hormones, enzymes, composants de la matrice Extracellulaire

Rôle : Rôle de biomotilité intracellulaire ; Mécanisme d’exocytose :

– Il y a une interaction entre : Microtubule labile + Kinésine / Mf d’Actine + Myosine I / Gelsoline à concentration de Ca2+ élevée

- Fixation d’une vésicule à l’extrémité (+) du Microtubule par une Kinésine Active
- Polymérisation du microtubule et déplacement des Kinésines sur les tubulines β
- Fragmentation du complexe sous-membranaire par action de la Gelsoline
- Transport de la vésicule par la Myosine I sur le Mf d’Actine
- Fusion membranaire

Remarques :

- Plusieurs Kinésines interviennent dans le transport d’une vésicule => La vésicule tourne
- La Myosine I interagit avec la vésicule par sa queue
- Dynamique de la Kinésine :
  - La tête 1 liée à l’ATP (active) se fixe sur le microtubule pendant que la tête 2 inactive est détachée de celui-ci
  - La tête 2 échange l’ADP avec l’ATP, il y a un mouvement de rotation avec un pas de 8nm
  - Fixation de la tête 2 au microtubule puis hydrolyse de l’ATP par la tête 1 et détachement de celle-ci

. ; Mécanisme d’endocytose :

– Il y a interaction entre : Mf d’Actine + Profiline + Microtubule + Dynéine

- Polymérisation des Mf d’Actine par action de la Profiline
- Invagination de la membrane plasmique et formation de la vésicule d’endocytose
- Formation d’une queue d’actine par la Profiline qui pousse la vésicule vers le milieu de la cellule
- Transport par la Dynéine vers l’extrémité (-) des microtubules
- Fusion à l’endosome précoce : si la molécule est nutritive elle diffuse, si elle est pathogène, elle est soit digérée soit reste séquestrée à vie

F-La cellule nerveuse :

- Transport antérograde par la Kinésine vers la terminaison nerveuse (400mm/jour)
- Transport rétrograde par la Dynéine vers le corps cellulaire (200 à 300mm/jour)

G-Les cellules libres : Ex : cellule phagocytaire, Fibroblaste, cellule cancéreuse, protozoaires ;Organisation des MF d’actine dans le Fibroblaste :

Filipode = Pseudopode fin => Mf d’Actine + Fimbrine/Fascine
Lamellipode = Pseudopode large => MF d’Actine en pointe et en réseau radiaire

– Contacts focaux = interaction des intégrines avec les molécules du support (Collagène, Laminine, Fibronectine) => Rôle d’adhésion au substrat et mise en place des Fibres de stress

– Fibres de stress = Actine + Myosine I + α-Actinine => Rôle : préparation à tirer la cellule vers le haut.

Rôle : Rôle de biomotilité cellulaire = Mouvement amiboïde

- Mise en place des contacts focaux
- Rétraction postérieure par endocytose de vésicules vides
- Mise en place des fibres de stress et soulèvement de la cellule
- Transport des vésicules par la Dynéine sans fusionner avec l’endosome précoce, puis leur transport par les Kinésines.
- Extension antérieure par augmentation de la surface membranaire après exocytose des vésicules
- Déplacement par émission de Lamellipodes vers l’avant avec formation de nouveaux contacts focaux, perte des contacts focaux à l’arrière, et désorganisation des fibres de stress lors de l’étalement