Résumé G.Chakib 2015-2016

Le Cytosquelette :

1-Définition : Le cytosquelette est un enchevêtrement de fibrilles / un support fibrillaire pour les organites /des édifices protéiques d’aspect filamentaire dispersés dans le hyaloplasme et le nucléoplasme (en forme de réseaux) et dans les cils et les flagelles (en formes de structures complexes).

2-Rôles : Il joue un rôle dans :

  1. La morphologie et la structure.
  2. Support des organites.
  3. Changement de la morphologie.
  4. Réalisation de mouvements coordonnés.

 

3-Eléments constitutifs :

  1. Microtubules (MT labiles et MT stables).
  2. Microfilaments fins d’actine.
  3. Microfilaments épais de myosine.
  4. Filaments intermédiaires.

R! Les techniques de mise en évidence de ces structures sont :

    • Technique de coupes minces et coloration + → Ultrastructure
    • Technique d’immunofluorescence → Répartition
    • Techniques de coloration – après isolement → Architecture moléculaire

4-Les microtubules :

A-Les MT labiles : Dans les cellules en interphase, ils sont dispersés dans le hyaloplasme des différents types cellulaires (sauf les hématies) et occupent l’axone et les dendrites des neurones. Au cours de la mitose, ils forment le fuseau achromatique au cours des divisions mitotiques et méiotiques.

– Après immunomarquage par les AC anti- tubuline et observation au microscope à fluorescence les MT ont une distribution radiaire dans les cellules (ils sont étendus du centre cellulaire vers la périphérie).

– Après coupes minces, coloration + et observation au MET, on a un cylindre creux de 25nm de diamètre et une paroi de 5nm d’épaisseur. La lumière de chaque tubule est bordée par des protéines globulaires.

– Après isolation, contraste – et observation au MET, on distingue dans :

    • Le plan longitudinal : le cylindre comprend 13 protofilaments formés de la succession de tubulines α β (alternance).
    • Le plan transversal : la paroi du cylindre comprend 13 monomères de tubulines α β alternés.

*Biogenèse (mise en place des MT) :

    • Les molécules : monomères de base comme les tubulines α, tubulines β et tubulines γ et facteurs d’environnement comme le GTP et les ions MG++.
    • Le site : lieu de formation des MT unique et commun à toutes les cellules → la matrice de MAPs = Centre organisateur des MT (COMT). Certaines protéines du COMT (les tubuline γ) forment des polymères en forme d’anneaux (les TuRC) qui constituent les sites de formation des MT = sites de nucléation.
    • Les conditions locales : disponibilité du GTP, composition du site de nucléation et forces ioniques favorables.

R! Le monomère de tubuline β est déterminant dans la biogenèse des MT en raison du site de fixation GDP/GTP, site d’hydrolyse du GTP et association au monomère α.

– La biogenèse des MT passent par plusieurs étapes :

    1. Les tubulines γ forment une assise sur laquelle sera bâtit le microtubule: c’est la mise en place de l’anneau TuRC.
    2. Activation du monomère β: échange GDP par GTP et formation de dimères α-β (hétérodimères).
    3. Des dimères de tubulines (α-β) se positionnent sur l’anneau TuRC leur alignement vertical forme progressivement 13 oligomères : les protofilaments. Au cours de la polymérisation des protofilaments, les tubulines hydrolysent le GTP et deviennent porteuses de GDP.
    4. Les 13 oligomères en croissance forment un feuillet qui se referme en un MT. L’insertion des protofilaments détermine une allure hélicoïdale pour le MT en formation. La croissance des protofilaments se poursuit après fermeture du feuillet.

*Propriétés des microtubules :

    • Polarité/Orientation : le MT présente 2 extrémités (une extrémité + libre en direction de la surface cellulaire et une extrémité – fixée à l’anneau proche du centre cellulaire). Dans les protofilaments en croissance, les tubulines β hydrolysent le GTP et deviennent liées au GDP. Il se différencie 2 régions dans le MT (le corps –GDP et la coiffe GTP ou GDP).
    • Dynamique : Les 2 extrémités du microtubule subissent une croissance sachant que la vitesse de croissance est inégale aux 2 extrémités (allongement rapide et raccourcissement lent pour l’extrémité + et l’inverse pour l’extrémité -) : c’est la dynamique du MT. La persistance de la coiffe GTP à l’extrémité + favorise la polymérisation du MT alors que sa perte (hydrolyse en GDP) entraine la dépolymérisation sachant que leurs vitesses sont inégales aux 2 extrémités. Elle est mise en évidence in vitro par marquage de dimères de tubulines et leur suivi dans le temps. L’extrémité – est stabilisée par les protéines d’insertion et l’anneau TuRC. La persistance de tubulines β-GTP dans le corps du MT permet son sauvetage. La dynamique est un phénomène cyclique et est déterminée par les coiffes GTP/GDP, les protéines associés et les activités physiologiques de la cellule.
    • Association aux protéines intrinsèques / associés : Il y a des protéines cytosoliques (MAPs) pouvant s’associer aux MT pour contrôler leur dynamique, déterminer leur arrangement (MAPs structurales stabilisatrices dans les neurones –MAP 2 dans les dentrites et Tau dans les axones- et d’autres cellules –MAP 4 et Clip 170- et MAPs structurales déstabilisatrices) et intervenir dans le transport intracellulaire (MAPs motrices regroupant les dynéines pour le transport allant de la périphérie au centre (rétrograde) et les kinésines pour le transport inverse (antérograde) et ce sont des protéines à 3 domaines : une tête qui représente un site de fixation aux tubulines du MT et un site d’hydrolyse d’ATP + une queue qui permet la fixation à la membrane d’un élément cellulaire donné sachant que les queues des kinésines interagissent avec les MP des organites par la kinactine et ceux des dynéines par la dynactine + un domaine intermédiaire).
    • Sensibilité à des molécules exogènes (drogues) : Certaines drogues perturbent la polymérisation/dépolymérisation des MT et bloquent la division cellulaire :
      • La colchicine et la vinblastine bloquent la polymérisation des MT en séquestrant les monomères libres de tubuline. Comme elles ne bloquent pas la dépolymérisation, les MT raccourcissent.
      • Le taxol stabilise les microtubules polymérisés et inhibe la dépolymérisation des microtubules.

B-Les MT stables : Ce sont des structures complexes et permanentes, de morphologie et de dimensions constantes, représentés dans toutes les cellules par le centrosome (localisé au centre de la cellule près du noyau, dans l’aire golgienne) et dans certaines cellules par le centrosome et les cils (cellules ciliées) ou le centrosome et les flagelles (cellules flagellées).

→ Structure du centriole : Le centrosome est composé de 2 centrioles, disposés perpendiculairement l’un à l’autre, baignant dans le matériel péricentriolaire. Chaque centriole est un cylindre creux constitué de 9 triplets de microtubules inclinés par rapport à l’axe réunis par des liaisons de nexine. Le microtubule le plus interne de chaque triplet, appelé microtubule A, est complet (13 protofilaments).

Les microtubules distaux (B et C) sont incomplets. Le microtubule C est relié au A par des liaisons transversales. On note l’absence de centrioles dans la cellule végétale. Le centriole, en se divisant, peut fournir des corpuscules basaux.

→ Polarité du centriole : Proviennent de la matrice des MAPs.

    • Extrémité distale : la région de jonction.
    • Extrémité proximale : la partie libre.

R! Les 2 extrémités possèdent en commun les ponts de nexine qui se forment entre le MTA et le MTC des MT voisins.

→ Les protéines associées aux 2 extrémités du centriole :

sont :

    • Ext proximale : nexine
    • Ext distale : celle de 9 bras + pont de nexine

→ Dynamique du centriole : L’extrémité distale agit comme centre de nucléation lors de la biogenèse des centrioles et au cours de sa duplication.

→ Mécanisme de la biogenèse du centriole :

    • Formation d’une amorce calquée sur le dispositif en rayons de roue à l’extrémité distale à partir de la matrice de MAPs.
    • L’amorce en rayons de roue s’individualise et servira de site de nucléation pour les triplets de microtubules.
    • Mise en place et élongation des MT A puis B puis C.
    • La duplication débute à la fin de la phase G1, la phase S.
    • Chaque centriole se comporte comme géniteur d’un procentriole.
    • La biogenèse du procentriole débute par la phase de nucléation.
    • La maturation correspond à la croissance des triplets de MT.
    • La duplication des centrioles s’achève à la fin de la phase G2 par l’individualisation des 2 centrosomes.

→ Rôles des centrioles :

    • Duplication du centriole pré existants.
    • Elongation en cil ou en flagelle.

→ Fonctions des MT :

    • Le maintien de la forme de la cellule (polarité).
    • Le déplacement des chromosomes (mitose et méiose).
    • Le transport des vésicules d’endocytose et d’exocytose.
    • Le déplacement des organites intra cellulaires.
    • Le flux axonal c.à.d. le mouvement des vésicules synaptiques vers la synapse.
    • Le mouvement de cellules isolées (paramécie, spermatozoïde…) par l’intermédiaire des cils et flagelles.

5-Les microfilaments d’actine :

a-Techniques d’étude :

    • Coupes minces et coloration + → Ultrastructure (microfilaments fins de 6-8nm de diamètre).
    • Coloration – après isolement → Architecture moléculaire (hélice monocténaire).
    • Technique d’immunofluorescence → Distribution intracellulaire (forment un réseau sous membranaire : cortex cellulaire).

b-Structure : Monomère d’actine = protéine globulaire (actine G)

    • Protéine bivalve.

    • Un site pour l’ATP/ADP.
    • Extrémité barbue (large).
    • Extrémité pointue.
    • Site de liaison à 2 autres monomères G.

R! Il y a 2 variétés de monomère G : Gα (dans les cellules musculaires pour former les filaments stables) et Gβγ (dans les cellules non musculaires pour former les filaments instables/dynamiques). R! L’association des monomères G engendre des filaments en forme d’hélice monocaténaire (la polymérisation de l’actine G va engendrer la formation de l’actine F).

c-Biogenèse des MFF d’actine :

    • Sites : dans des points dispersés du hyaloplasme, sous la membrane ou sur des filaments déjà formés.
    • Molécules : Actine G, ATP, monomère G-ATP et complexe d’amorce ARP 2/3.
    • Mécanisme : se fait en 3 étapes : nucléation (l’amorce de nucléation préalablement activée stabilise un trimère d’actine G-ATP sachant que plusieurs protéines peuvent intervenir dans l’activation), puis élongation et enfin stabilisation (désigne un ralentissement dans la vitesse d’association de nouveaux monomères).

R! Les MFF d’actines sont retrouvés au niveau des axes de microvillosités, anneaux de divisions et Zonula adhérens.

d-Propriétés :

    • Polarité : Il présente 2 extrémités : une extrémité – de forme pointue et une extrémité + de forme barbue.
    • Dynamique : L’ext – se caractérise par une dépolymérisation rapide, alors que l’ext + c’est l’inverse (polymérisation rapide).
    • Association à des protéines intrinsèques : dans les cellules non musculaires, les protéines sont classées par rapport à leurs fonctions :
  1. Contrôle de la dynamique (comme la thymosine qui va entrainer la dépolymérisation et la profiline la polymérisation en se liant aux monomères d’actine G et la CAP Z qui se lie à l’actine F pour la stabilisation de l’ext + et le complexe ARP 2/3).
  2. Organisation des MF (il y a les protéines de fasciculation comme la villine et la fimbrine dans les faisceaux serrés et l’α actinine et la myosine dans les faisceaux larges/ contractiles. Et il y a aussi les protéines de réticulation comme la filamine dans les réseaux).
  3. Ancrage à la MP (comme la spectrine et la myosine I).
  4. Mouvement (protéines motrices comme les myosines I et II qui sont activées par phosphorylation).
  5. Fragmentation (comme la gelsoline qui dépolymérise les MFF puis polymérise d’autres dans une nouvelle direction sachant qu’elle activée pat la hausse du Ca++ intracellulaire et son action est parachevée par celle de la profiline).

– Alors que dans les cellules musculaires, il y a les protéines de structure du sacromère (α- actinine, titine, tropomoduline et cap Z pour l’organisation et la stabilisation des filaments d’actine) et les protéines de la contraction (myosine II, tropomyosine…).

    • Sensibilité aux drogues : La phalloïdine engendre la stabilisation des MFF et la cytochalasine leur dépolymérisation (inhibe la polymérisation).

6-Microfilaments épais de myosine : Ce sont des filaments de 10 à 15 nm de diamètre. Ils caractérisent les cellules musculaires où ils forment les disques sombres (disques A) de myofibrilles. Ils sont constitués d’une protéine contractile, la myosine II. Celle-ci est formée de :

    • 2 têtes globulaires à activité ATPasique réagissant avec l’actine F.
    • Queue longue qui se trouve incurvée à l’état inactif (tête liée à l’ADP) et rectiligne à l’état actif (tête phosphorylée) de la molécule.
    • Cou qui relie la tête à la queue et sert de levier pour faciliter les mouvements de la tête.

7-Biomotilité (motilité cellulaire) :

a-Définition : C’est l’aptitude de la cellule à effectuer des mouvements spontanés ou réactionnels. C’est une dynamique basée sur l’utilisation du cytosquelette.

R! L’actine sous sa forme filamenteuse est un acteur majeur de cette dynamique.

b-Caractérisation : Les processus de biomotilité sont spécifiques en raison :

    • Potentialités moléculaires particulières des cellules (musculaire, nerveuse…).
    • Implications physiologiques (contraction, migration…).

c-Classification :

1-Mouvements intracellulaires :

*Endocytose : se déroule en plusieurs étapes :

    • Pincement de la MP et polymérisation des MFF d’actine sous l’action de la profiline.
    • Fermeture de la MP et emballage du produit endocyté à l’intérieur d’une vésicule.
    • Interaction de la membrane vésiculaire aux MFF d’actine polymérisées.
    • Eloignement de la vésicule de la région sous membranaire sous l’action de la queue d’actine.
    • Fixation de la membrane vésiculaire sur l’extrémité + d’un MT par la dynéine et déplacement vers l’extrémité – .
    • Fusion membranaire et hydrolyse du matériel vésiculaire par des hydrolases.

*Exocytose : se déroule en plusieurs étapes :

    • Formation d’une vésicule d’origine golgienne ou endosomale.
    • Fixation de la membrane vésiculaire sur l’extrémité – des MT par la kinésine et déplacement vers l’extrémité +.
    • Fixation des vésicules sur l’extrémité – des MFF d’actine et déplacement vers l’extrémité +.
    • Signal d’exocytose par élévation de la concentration calcique intracellulaire, activation de la gelsoline et destruction local du cortex cellulaire, fusion membranaire et libération du produit.

*Migration chromosomique : se déroule en plusieurs étapes :

    • Mise en place des chromosomes dans la région équatoriale du fuseau métaphasique.
    • Division de chaque chromosome en 2 chromatides fils dès le début de l’anaphase.
    • Migration des chromatides vers les pôles du fuseau suite aux allongements des MT labiles polaires par polymérisation et raccourcissement de ces MT kinétochoriens par dépolymérisation.

*Cytodiérèse : se déroule en plusieurs étapes :

    • A l’anaphase, début de la mise en place d’un anneau contractile composé d’un faisceau d’actine associé à la myosine II.
    • A la télophase, attachements et détachements répétés des têtes de myosine II à l’actine (suite à une série d’activations par phosphorylation et de désactivations par déphosphorylations).
    • Glissement des MF les uns par rapport aux autres.
    • Etranglement progressif de l’anneau contractile par dépolymérisation continue des filaments d’actine.
    • Division de la cellule mère et séparation des 2 cellules filles.

*Contraction des cellules musculaires : se déroulent en plusieurs étapes :

    • Arrivée de la stimulation nerveuse sur la MP post synaptique : le sacrolemme.
    • Libération du Ca++ par les canaux calciques voltage dépendants de la membrane sarcoplasmique.
    • Fixation des ions Ca++ sur les troponines C et modification de la config spatiale du complexe de troponine.
    • Soulèvement des molécules de tropomyosine et libération des sites d’accrochage de l’actine.
    • Activation par l’ATP des têtes de myosine II et accrochage aux sites de liaison situés sur les molécules d’actine.
    • Suite aux cycles répétés d’accrochage-décrochage des têtes de myosine II, il y a glissement des filaments d’actine.
    • Raccourcissement progressif des sacromères compris entre les lignes Z successives accompagné d’un raccourcissement des stries I, disparition des zones claires et rapprochement des stries A. En parallèle, raccourcissement des microfibrilles et donc de l’ensemble de la cellule musculaire.
    • Arrêt de la stimulation, réabsorption des ions Ca++ par le réticulum sarcoplasmique et retour à la config initiale du complexe troponine et interaction des filaments de tropomyosine aux MFF d’actine pour masquer de nouveau des sites d’accrochage : arrêt de la contraction.

2-Mouvements de cellules entières :

*Mouvements amiboïdes : se déroulent en plusieurs étapes :

    • Adhésion au substrat par interaction des intégrines au MEC.
    • Mise en place de fibres de stress composés de faisceaux contractiles d’actine associés par l’-α actinine interagissant avec la myosine II provoque le soulèvement de la cellule.
    • Rétraction de la région post suite à la diminution de surface membranaire résultant de l’endocytose et la dépolymérisation locale des MFF d’actine du cortex.
    • Transport des vésicules vers le centre cellulaire par interaction aux MT et dynéines sans fusion à l’endosome.
    • Exocytose à l’avant de la cellule : augmentation de la surface membranaire après intervention de la gelsoline et polymérisation des MFF d’actine à l’extrémité + poussant la membrane et donc la cellule dans le mouvement.
    • En parallèle, perte des contacts focaux à l’arrière et formation de nouveaux points d’adhésion à l’avant.
    • Le cycle reprend jusqu’à l’arrivée de la cellule à destination.