Résumé Adam M. Roumani 2015-2016

CYTOSQUELETTE

I-Introduction :

– C’est un ensemble de filaments protéiques présents dans le nucléoplasme et dans le hyaloplasme de toutes les cellules eucaryotes.

– Dispersés ou organisés en faisceaux ou en structures complexes (centrioles, cils, flagelles).

– Permet de s’adapter à une grande variété de changements morphologiques et d’effectuer des mouvements coordonnés.

– Formé de microtubules, microfilaments fins d’actine, filaments épais de myosine, filaments intermédiaires.

II-Microtubules :

    • Présents dans toutes les cellules sauf les érythrocytes.
    • Se divisent en deux variétés :
      • Microtubules labiles : retrouvés dans le hyaloplasme, le faisceau mitotique etc… de longueur variable.
      • Microtubules stables : retrouvés dans les centrioles, cils, flagelles, de longueur stable.

1-Microtubules labiles :

A- Ultrastructure :

    • Après coupes minces et coloration > 0, apparaissent sous forme de cylindres creux, de longueur variable, également visibles en coloration < 0.
    • 25 nm de diamètre et 5 nm d’épaisseur après coupe transversale.
    • Sa paroi est formée de 13 protofilaments
    • Un protofilament est une succession d’héterodimères (α, β).
    • Ce système est respecté en longueur mais pas en largeur.
    • Les 13 protofilaments s’associent en décalage.
    • Les tubulines sont des protéines globulaires.
    • Les microtubules présentent une coiffe et un corps.
    • Cette coiffe est de longueur variable et se situe du côté de l’extrémité +.
    • Les microtubules sont de symétrie hélicoïdale.

B- Biogénèse :

    • Au MET, les microtubules prennent naissance près du centrosome.
    • Ce dernier est composé de :
  1. 1 diplosome = 2 centrioles composés de microtubules stables perpendiculaires l’un à l’autre.
  2. Un matériel péri-centriolaire riche en isoformes de tubulines (α, β, γ, δ, ε)
    • Les microtubules sont polarisés :
      • (-) du côté du centrosome.
      • (+) du côté de la membrane plasmique.
    • Le centrosome est un centre organisateur de microtubules (COMT).
    • D’abord il y a positionnement des tubulines γ en ressort formant l’anneau TuRC.
    • Insertion progressive des dimères α,β-GTP .
    • La polymérisation du microtubule induit une autofermeture du feuillet et formation du microtubule.
    • Il faut un anneau TuRC par microtubule.
    • Ces événements sont GTP dépendants pour l’activation des monomères β (Mg2+ in- vitro).
    • Les 13 protofilaments sont décalés les uns par rapport aux autres => disposition hélicoïdale.

C- Propriétés :

    • Extrémité (+) contient des tubulines α-GTP et β-(GTP ou GDP) => peut gagner ou perdre des dimères.
    • Extrémité (-) contient des γ tubulines.
    • Corps contient des tubulines α-GTP et β-GDP.
    • Les tubulines α et β sont toujours associées à des nucléotides dans les MT :
      • α toujours associée au GTP.
      • β deux cas :
        • Ext (+) : GTP ou GDP.
        • Corps : GDP => La tubuline β possède une activité GTPasique.
    • Chaque protofilament représente une succession de tubulines-GTP et tubuline-GDP. La tubuline β se comporte comme une protéine enzymatique GTPasique.
    • Un MT labile peut s’allonger ou se raccourcir à ses deux extrémités à des vitesses différentes.
    • Les tubulines ont plusieurs capacités de reconnaissance.
    • Aux 2 extrémités il y a augmentation en longueur par gain de dimères actifs. Les vitesses d’ajouts sont différentes :
      • Ext (+) => Vitesse élevée.
      • Ext (-) => Vitesse faible.
    • Il y a également perte de dimères à des vitesses différentes :
      • Ext (+) => Vitesse faible.
      • Ext (-) => Vitesse élevée.
    • La concentration en tubulines et en GTP est un facteur limitant.
    • Les dimères ajoutés sont actifs (β-GTP) alors que les dimères perdus sont inactifs (β-GDP).
    • Selon les événements de biomotilité cellulaire, les concentrations intracellulaires en GTP varient => un MT labile peut être avec ou sans coiffe de GTP.
    • Disparition de la coiffe => Concentration faible en tubuline et en GTP => dépolymérisation (catastrophe) des MT.
    • Le MT apparait puis disparait : Cycle dynamique du microtubule.
    • Il y a échange du GDP par du GTP sur la tubuline β => activation => formation de la coiffe => état de stabilité.
    • En cas de perte de la coiffe GTP (quantité insuffisante) => le MT se courbe et s’effiloche.
    • Les états sont réversibles et dépendent de la disponibilité en tubulines et en GTP.
    • Parfois il y a directement passage de l’état stable à l’état de catastrophe.
    • Voir schéma 3 p57 du fascicule.
    • En mitose, la cellule produit beaucoup de tubuline et de GTP afin de former le fuseau.
    • Les paramètres chimiques notables contrôlant la longueur du MT sont :
      • Disponibilité en concentration élevée de tubulines et de GTP (dimères actifs) afin d’assurer une présence de coiffe GTP et une polymérisation des MT labiles.
      • Dans le cas contraire, la coiffe GTP est remplacée par la coiffe GDP et les MT sont dépolymérisés jusqu’au stade ultime de monomère.

D- Protéines associées aux MT :

    • Elles sont appelées MAP (Microtubules Associated Proteins) et se divisent en deux groupes :
      • MAP de structure : stabilisent un ensemble de MT.
      • MAP motrices : assurent le déplacement des organites, vésicules et complexes moléculaires le long des MT.

a) MAP de structure :

    • Elles stabilisent la longueur et la paroi du MT.
    • Elles stabilisent un ensemble de MT (réseau).
    • Ex :

MAP2 → Neurones (corps cellulaire et dendrites)

MAP4 → Cellules mitotiques

i- MAP2 :

    • Donnent de la rigidité au faisceau de MT => empêchent la dépoly.
    • Présentent une forme de L ou de crochet dont la base se plaque sur les tubulines d’un MT et l’extrémité s’associe à un autre MT.
    • Elles sont présentes dans les neurones, au niveau des dendrites et du corps cellulaire.

ii- Protéine Tau :

  1. Présente au niveau de l’axone des neurones.
  2. S’incruste entre les protofilaments pour stabiliser la largeur du MT. 

b) MAP de transport :

    • Assurent le transport orienté de complexes moléculaires, de vésicules et d’organites.
    • Il en existe deux types :
      • Kinésine : transport vers l’extrémité (+).
      • Dynéine : transport vers l’extrémité (-).
    • Kinésine et dynéine possèdent 3 domaines :
      • Un domaine à 2 têtes ATPasiques s’associant au MT.
      • Un domaine intermédiaire.
      • Un site de fixation aux organites à transporter.
    • La tête qui interagit avec le β-GTP esst liée à l’ATP, et celle qui n’interagit pas (ou plus) subit une hydrolyse de son ATP en ADP.
    • La dynéine se lie à la dynactine de l’organite à transporter tandis que la kinésine se lie à la kinactine.
    • Mécanisme moléculaire du transport intracellulaire :
      • Les kinésines présentent un domaine d’interaction au MT composé de deux têtes : une tête « 1 » liée à l’ATP et une tête « 2 » liée à l’ADP.
      • La tête 1 interagit avec β-GTP.
      • Lors du déplacement, la tête 2 échange l’ADP par l’ATP et la tête 1 subit une hydrolyse de son ATP en ADP induisant son détachement.
      • Suite à une rotation de la kinésine, la tête 2 active interagit avec la β- GTP suivante de la coiffe du MT.
      • Ainsi de suite par cycle d’échange et d’hydrolyse des têtes 1 et 2, les kinésines transportent avec un pas de 8nm les structures vésiculaires et les organites vers l’extrémité (+).
    • Kinésine :
      • Plusieurs interviennent lors d’un transport vésiculaire => roulement de la vésicule.
      • Elle suit l’avancement de la coiffe GTP.
    • Dynéine :
      • Interviennent dans l’endocytose.
      • La vésicule va être prise en charge par une dynéine.
      • Elle suit la dépolymérisation progressive du MT.

E-Sensibilité aux drogues :

– Voir complément page 17, schéma page 57 du fascicule. 

– Les droguent perturbent la dynamiques des MT.

– Colchicine + vinblastine :

    • Inhibe la polymérisation des MT => passage d’un état d’équilibre dynamique à un état de dépolymérisation => catastrophe des MT labiles.

– Taxol :

    • Stabilise la longueur des MT.
    • Bloque les extrémités (+) et (-) => empêche l’ajout de dimères.

– En thérapeutique humaine, ces molécules sont utilisées comme médicaments anticancéreux. La désorganisation des MT empêche la migration chromosomique perturbant ainsi la multiplication des cellules cancéreuses.

– Les MT en métaphase sont courts. Ils s’allongent en anaphase puis disparaissent en télophase.

– En cas d’ajout de colchicine, il n’y aura plus de polymérisation des MT => cellule bloquée en métaphase.

2-Microtubules stables :

    • Complément p17, fascicule p15 (§2.2 supprimé)
    • Localisation : dans les centriole + dérivés centriolaires
    • Rôle des centrioles : production de MT labiles (cellules différenciées et cellules mitotiques) et de MT stables comme les cils ou les flagelles des cellules différenciées.

A-Centrioles :

a) Ultrastructure et protéines associées :

  1. Centriole = cylindre creux de longueur (0,5 µ) et de diamètre (0,25 µ) stables. Sa paroi est composée de 9 triplets de MT A, B et C. Les MTA comportent 13 protofilaments, les MTB et les MTC en comportent 10 chacun.
  2. Les MTB ont des protofilaments en commun avec les MTA et les MTC.
  3. Les MTC ont des protofilaments en commun avec les MTB.
  4. Les MTA sont les plus internes tandis que les MTC sont les plus externes
  5. Les 9 triplets de MT sont liés par des ponts de Nexine.
  6. La Nexine lie le MTC d’un triplet avec le MTA du voisin.
  7. Le centriole présente deux extrémités : proximale et distale.
  8. L’extrémité distale est pleine de protéines organisées en rayons de roue interagissant avec les MTA.
  9. L’extrémité proximale est vide.
  10. Il existe des MAP à la surface du centriole assurant la perpendicularité.

b) Biogénèse :

  1. Dans la cellule mitotique, le centrosome se dédouble pour former le fuseau mitotique.
  2. En division, la cellule mère passera de 2 à 4 centrioles.
  3. A la fin de la division, chaque cellule fille héritera de deux centrioles.
  4. La division est semi-conservatrice.
  5. A la fin de la division mitotique, chaque cellule fille hérite d’un centriole parental et d’un nouveau centriole => phénomène de semi conservation.
  6. La duplication des centrioles débute à la phase S et se termine à la phase G2 durant une interphase mitotique.
  7. Observable au MT après colo > 0.

B-Cils et flagelles :

– On les retrouve dans les cellules différenciées (paroi des trompes, spz…).

– A la base de chaque cil il y a un corpuscule basal.

– Les cils sont composés de MT stables.

– Ils sont nommés dérivés centriolaires car les MT qui les composent constituent des prolongements des microtubules des centrioles installés à la base de chaque cil ou chaque flagelle.

3-Application :

    • Il existe deux types de MT labiles dans le fuseau mitotique : les MT kinétochoriens et les MT stables des centrioles.
    • Dans les cellules mitotiques, on retrouve 2 COMT : les centrosomes et les kinétochores.

III- Microfilaments d’actine :

1-Ultrastructure et architecture moléculaire :

    • Diamètre de 6 à 8 nm.
    • Longueur peut être stable dans les cellules musculaires mais moins stable dans les autres cellules.

A-Méthode d’étude :

    • Microscope photonique à fluorescence et MET coloration > 0 et < 0

B-Architecture moléculaire :

    • Fascicule page 21.
    • Arrangement non linéaire des monomères d’actine G en actine F.
    • Les MFA sont rectilignes = structure filamentaire en colo > 0.
    • Actine F = hélice monocaténaire.
    • L’actine G est un bivalve.
    • Chaque monomère d’actine G présente :
      • Un site de fixation de l’ADP ou ATP.
      • Un site de fixation du monomère suivant.
      • Un site de fixation du monomère précédent.
    • L’actine F est un agencement d’actine G formant une hélice monocaténaire.
    • En ME, l’actine F apparait « comme une double hélice » constituée par un seul polymère d’actine G.
    • ATP-actine → Echange → ADP-actine → hydrolyse → ATP-actine.
    • Le MFA a une polarité :
      • Extrémité (+) : coiffe (Actine G-ATP)
      • Extrémité (-) et corps : Actine G-ADP

2-Variétés

    • Actine α : cellules musculaires.
    • Actine β et γ : cellules non musculaires.

3-Biogénèse :

  • Etapes :
    • Mise en place d’un trimère instable (3 monomères d’actine G-ATP).
    • Stabilité du trimère par ajout du complexe ARP 2/3.
    • Ajout des monomères d’actine G un à un.

4-Propriétés :

    • Semblables à celles des MT.
    • Extrémité (+) : ajout de monomères d’actine G-ATP à vitesse élevée. Pertes à ignorer.
    • Extrémité (-) : perte de monomères d’actine G-ADP à vitesse élevée. Gains à ignorer.
    • La polymérisation des MFA dépend de la concentration en Actine G et de la production d’ATP.
    • L’actine G a une activité enzymatique ATPasique.
    • Dans le temps, un MFA peut se renouveler entièrement.

5-Protéines associées communes :

– Se lient à l’active G ou à l’actine F.

– Rôle :

      • Contrôle de la polymérisation.
      • Organisation des MFA.
      • Liaison à la membrane plasmique.

– Types : voir complément pages 20 à 23.

A-Complexe ARP 2/3 :

    • Protéine de nucléation => début de mise en place d’un nouveau MFA.
    • Polymérisation par ajout de monomère d’actine G-ATP sur le trimère stabilisé par le complexe ARP 2/3.

B-Thymosine et Profiline

    • Contrôlent la polymérisation des MFA.
    • La profiline se fixe sur l’actine G-ADP et stimule l’échange ADP par ATP => croissance du MFA à l’extrémité (+). Elle prépare un pool d’actine G active.
    • La thymosine séquestre les molécules d’actine G-ATP inhibant la polymérisation => dépolymérisation du MFA.

B-Gelsoline

    • Elle est Ca2+ dépendante.
    • Permet la fluidité cytoplasmique et l’exocytose vésiculaire.
    • Elle fragmente un long filament d’actine F en plusieurs petits fragments.
    • Si une seule molécule de gelsoline intervient  on obtient un seul fragment et le reste dépolymérise.
    • Si plusieurs molécules interviennent  on obtient plusieurs fragments.
    • La gelsoline et la myosine 1 interviennent lors de l’exocytose vésiculaire :
  • Mécanisme illustré dans le fascicule page 31.
      • Déplacement des vésicules le long des MT vers l’extrémité (+) à l’aide des kinésines.
      • Interaction de la vésicule sur un MFA du cortex cellulaire à l’aide de la myosine 1 par une série de phosphorylations par échange d’ADP par ATP et hydrolyse d’ATP en ADP.
      • Plusieurs myosines 1 interviennent pour rapprocher la vésicule de la membrane plasmique.
      • En parallèle la gelsoline produite par les polysomes libres dans le hyaloplasme subit une stimulation par le Ca2+ pour fragmenter le réseau de MFA.
      • Une fluidification locale du cortex a lieu.

D-Application : comparaison avec l’endocytose : Etapes

  • Mécanisme illustré dans le fascicule page 31.
    • Mise en place de trimères stabilisées par ARP 2/3 dans des régions où doit avoir lieu l’endocytose.
    • Action de la profiline assurant la polymérisation des MFA aux extrémités de la déformation membranaire.
    • Formation d’une vésicule après pincement de la membrane plasmique.
    • Formation d’une queue de MFA poussant la vésicule d’endocytose vers l’extrémité (+) des MT.
    • La thymosine intervient pour détruire la queue de MFA.
    • Prise en charge de la vésicule par une dynamine.
    • Dépolymérisation du MT puis fusion de la vésicule à l’endosome précoce.
    • Les MFA forment un réseau.
    • D’abord un brin parental puis polymérisation, en branches, de plusieurs autres petits brins, à la base desquels on trouve un complexe ARP 2/3.

E-Myosine I :

    • Rôle : contrôle du mouvement des vésicules d’exocytose.
    • La tête possède un site de fixation d’ATP ou d’ADP, parfois deux.
    • La forme inactive est liée à l’ADP, la forme active est liée à l’ATP (par échange).
    • Possède une activité ATPasique.
    • Même principe de déplacement que la kinésine.

F-Filamine :

    • Voir cellules phagocytaires.

6-Protéines associées spécifiques au type cellulaire :

A-Neurones :

    • Transport antérograde : concerne les neurotransmetteurs et les organites.
    • Transport rétrograde : concerne les EGF, les toxines (choléra, tétanos) et les virus (rougeole, herpes).
    • Antérograde  déplacement des vésicules vers les terminaisons axonale.
    • Rétrograde  vers le noyau.
    • Le transport rétrograde est plus rapide que l’antérograde.

B-Entérocytes :

-Au niveau des microvillosités :

      • Myosine I : relie le faisceau d’actine à la membrane.
      • Fimbrine et villine : contrôlent l’organisation en structure parallèle des MFA (fasciculation en faisceau serré).
      • Rôle : structural et rigidité. Pas de biomotilité.

– Zonula adhérens :

      • Présence des MFA dans la ceinture d’adhérence (rôle de contraction des entérocytes).
      • Faisceau large de MFA  présence d’α-actinine.
      • Elle contrôle la fasciculation des MFA.
      • Rôle : mouvement de contraction intracellulaire lors de la digestion.

C-Globules rouges

    • Leur forme biconcave est assurée par la spectrine, en interaction avec les MFA.
    • Elle constitue un réseau élastique et permet eu globule rouge de se déformer pour pouvoir passer dans les capillaires à diamètre réduit.
    • Constituée par deux isomères spectrine α et spectrine β qui s’organisent en hélice.

D-Cellule musculaire squelettique

    • Cellule squelettique striée organisée assurant le mouvement de contraction- relâchement.
    • Schéma page 23 du complément.
    • Organisation antiparallèle des myosines II en tête-bêche.
Myosine I Myosine II
Localisation – Tous types cellulaires

sauf les GR

– Cellule musculaire
Structure – 1 tête et 1 queue – 2 têtes et 1 queue
Activation – 1 site de fixation de

l’ADTP/ATP

  • 1 site de fixation de

l’ADP/ATP

  • 1 site de fixation à

l’actine.

 

    • Les MFA des sarcomères sont polarisées, ce qui permet le maintien de leur longueur.

α-actinine :

    • Présente au niveau des stries Z (extrémités des sarcomères).
    • Commune aux cellules musculaires squelettiques et épithéliales.
    • Lie les faisceaux de MFA entre eux.

b-Cap Z :

    • Présente au sommet de chaque MFA.
    • Contrôle le capping et donc la longueur du MFA.

c-Myosine II

    • Organisée en filaments bipolaires. Filaments : molécules parallèles entre elles. Bipolaires : orientation opposée.
    • Le complexe Actine-Myosine II est appelé filament d’acto-myosine.
    • Les filaments de myosine II sont interrompus entre deux sarcomères.
    • La somme de plusieurs sarcomères donne une myofibrille.
    • Les myofibrilles sont recouvertes de réticulum sarcoplasmique nécessaire à la contraction.
    • Quand le réticulum est traversé par la membrane plasmique qui s’invagine, il s’agit d’un tubule T.
    • Voir bande A et bande I dans le cours « Tissu musculaire strié squelettique ».
    • Les myosines II s’assemblent en tête-bêche : filaments bipolaires antiparallèles.
    • Dans le filament de myosine, les têtes sont sortantes et se répètent le long du filament.
    • La longueur de la queue de myosine est invariable.
    • Les têtes sortantes interagissent avec les MFA.
    • Lors de la contraction, il y a raccourcissement du sarcomère par diminution de la longueur des bandes I et bandes H.
    • Dans chaque sarcomère, la longueur des MFA et des filaments bipolaires de myosine II reste constante.
    • Il y a libération du Ca2+ par le réticulum sarcoplasmique à travers des canaux calciques voltage dépendants.
    • Il y a ensuite interaction du Ca2+ avec les MFA, et plus exactement, avec la troponine C.

d-Tropomyosine

    • Occupe les sillons de l’hélice et masque les sites fixant les têtes de myosine II lors du relâchement.
    • En présence de Ca2+, la tropomyosine se soulève et change de confirmation pour libérer les sites d’interaction des têtes de myosine II avec l’actine et conduit à la contraction.

e-Troponine

    • Il en existe 3 types : TnC, TnI et TnT
    • Troponine C : fixation de Ca2+.
    • Troponine I : inhibe la contraction.
    • Troponine T : interagit avec la tropomyosine.

-Le mécanisme de la contraction musculaire est décrit dans le complément page 27.

E-Fibroblastes

    • Schéma page 28 du complément.
    • La cellule n’a pas de forme particulière.
    • Il y a présence de microtubules.
    • Les MFA peuvent être :
      • Libres dans le hyaloplasme => réseau lâche.
      • En faisceau serré => filopode.
      • Réseau radiaire => lamellipode.
      • Contacts focaux et fibres de stress.
    • Ces structures ne sont pas stables.
    • Les filopodes sont des faisceaux de MFA associés à de la fimbrine et de la villine.
    • Les lamellipodes sont des réseaux radiaires de MFA entrecroisés associés à de la filamine.

a) Filamine

    • Une protéine en forme de V qui maintient l’entrecroisement de MFA dans le réseau radiaire et lâche. Voir complément page 21

b) Contacts focaux

    • C’est une interaction Intégrine-molécule de la MEC (Voir adhésivité).
    • Les intégrines s’organisent en groupes moléculaires. Au-dessus de chaque regroupement on retrouve un faisceau de MFA.

c) Fibres de stress

    • Dans le milieu intracellulaire, les intégrines interagissent avec des faisceaux de MFA maintenus grâce à l’α-actinine formant des fibres de stress.
    • Les faisceaux parallèles sont reliés par deux molécules de myosine II qui assurent une force de traction dans deux directions opposées, générant une force de soulèvement.

d) Mouvement amiboïde

    • Prolongement de la cellule dans le sens du mouvement.
    • Mise en place de nouveaux contacts focaux à l’avant de la cellule.
    • Rétraction à l’arrière de la cellule par hydrolyse des plus anciens contacts focaux.
    • Les contacts focaux et les fibres de stress sont des structures dynamiques.
    • Un étirement vers l’avant implique une rétraction vers l’arrière.
    • La cellule va endocyter de la membrane à l’arrière puis gagner de la surface membranaire à l’avant par exocytose.
    • Voir tableau biomotilité p 27 du complément.

F-Cellule mitotique :

    • Voir pages 62 et 63 du fascicule et pages 56 et 57 du complément.
    • Méthode d’étude : MP à fluorescence, MET, MEB.

-Etapes de la mitose :

      • Interphase
      • Prophase
      • Métaphase
      • Anaphase
      • Télophase

*Métaphase :

      • Présence d’une plaque équatoriale.
      • Fuseau mitotique composé de MT qui partent du centrosome vers le centre cellulaire.
      • 3 types de MT : astraux, polaires et kinétochoriens.
      • Présence de 2 kinétochores par chromosome (1 par chromatide).

*Anaphase :

      • Migration chromosomique de chaque côté de la cellule.
      • Elle s’accompagne d’un allongement des MT polaires et un raccourcissement des MT kinétochoriens.

*Cytodiérèse :

      • Mise en place de l’anneau contractile : faisceau de MFA antiparallèles + myosine II.
      • Les myosines II tirent vers l’extrémité (+).
      • L’anneau se contracte et divise la cellule mère en deux cellules filles.

7-Rôle des MFA

    • Biomotilité cellulaire : mouvement amiboïde (cellule phagocytaire, cancéreuse, déplacement des spermatozoïdes…).
    • Biomotilité intracellulaire : transport vésiculaire, migration chromosomique, cytodiérèse, contraction des zonula adhérens…
    • Structural : axes microfilamentaires des ZA, filopodes, lamellipodes, cortex, centrioles…

8-Sensibilité aux drogues

-Fascicule page 59, complément page 22.

    • Cytochalazine : extraite de champignons bloque la polymérisation et l’allongement des MFA → inhibe les processus cellulaires.
    • Phalloïdine : agit comme un crochet qui empêche l’extrémité (+) de polymériser et l’extrémité (-) de dépolymériser → il stabilise en quelque sorte les MFA.

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