Le cytosquelette
Le cytosquelette
Le cytosquelette est un réseau de fibres protéiques dans le cytosol et aussi dans le nucléoplasme. Il assure une fonction de soutien de structures cellulaires (comme les microvillosités) et de cohésion des tissus (via les jonctions adhérentes auxquelles il participe), permet les déformations cellulaires transitoires et la mobilité cellulaire (migration cellulaire, déplacement des spermatozoïdes…) et assure la mise en mouvement de structures intracellulaires (organites, vésicules, chromosomes lors de la division cellulaire…).
En résumé, le cytosquelette est la charpente de l'architecture de la cellule et contrôle ses mouvements et les mouvements de ses structures internes. Il est composé de microfilaments (actine F), de microtubules (tubuline) et de filaments intermédiaires.
Les microfilaments d'actine
L'actine est une famille de protéines globulaires multifonctionnelles qui forment des microfilaments dans le cytosquelette et des filaments minces dans les fibrilles musculaires. On la trouve dans pratiquement toutes les cellules eucaryotes, où elle peut être présente à une concentration supérieure à 100 µM; sa masse est d'environ 42 kDa, avec un diamètre de 4 à 7 nm. C'est la protéine la plus abondante dans un grand nombre de cellules animales (à commencer par les cellules musculaires mais pas seulement). C'est aussi l'une des protéines dont la séquence est la plus conservée chez les Eucaryotes.
Chez les vertébrés, il y a trois groupes principaux d'isoformes d'actine : l'α-actine, qui se trouve dans les structures contractiles musculaires; la β-actine, trouvée aux bords en expansion des cellules qui produisent des protrusions pour se déplacer (lamellipodes…) ; et la γ-actine, qui se trouve dans les filaments des fibres de tension.
*La localisation de l'ARNm de la β-actine est hautement dynamique et corrélée à la protrusion et à la migration cellulaires. La traduction de la β-actine se fait donc au plus proche des structures qui en ont besoin.
Dynamique en temps réel de l'ARNm de la β-actine dans une cellule en migration. La technique de marquage MS2-GFP (MS2 est une protéine qui a une forte affinité pour les ARN et que l'on peut cibler sur un ARNm particulier) a été utilisée pour visualiser l'ARNm endogène de la β-actine. La carte des couleurs montre l'intensité de fluorescence représentant la concentration d'ARNm de β-actine (Hye Yoon Park and Robert H. Singer, Albert Einstein College of Medicine).
Une protéine d'actine est la sous-unité monomérique des microfilaments. L'actine peut être présente sous forme de monomère libre appelé actine G (globulaire) ou dans le cadre d'un microfilament, sous la forme d'un polymère linéaire appelé actine F (filamenteux) qui fait 7 nm de diamètre. L'incorporation d'une molécule d'actine G dans un microfilament se fait avec l'hydrolyse d'un ATP. Les monomères d'actine G s'agencent selon une hélice dextre avec des liaisons non covalentes. Un tour d'hélice est formé de 13 monomères. Deux brins F-actine parallèles doivent pivoter de 166 degrés pour être correctement placés l'un sur l'autre. Cela crée la structure en double hélice des microfilaments trouvés dans le cytosquelette.
*Structure de l'actine sous sa forme G et sa forme F. Les microfilaments d'actine sont polarisés avec une extrémité dite barbelée (quelquefois appelée +) où les nouveaux monomères sont ajoutés (avec l'aide de la profiline) et une extrémité pointue où les monomères sont enlevés (quelquefois appelée -). Le microfilament d'actine est donc en équilibre dynamique.
De nombreuses protéines interagissent avec l'actine et elles peuvent être classifiées en plusieurs catégories :
(1) celles qui permettent la nucléation d'un nouveau mircofilament (Arp2/3, formines…)
(2) celles qui régulent la polymérisation/dépolymérisation de microfilaments pré-existants (profiline, ADF/cofiline…)
(3) celles qui permettent un assemblage de plusieurs microfilaments (fimbrine, villine, α-actinine…)
(4) celles qui utilisent les microfilaments pour des mouvements ou le transport (myosines…)
Des facteurs de nucléation sont nécessaires pour stimuler la polymérisation de l'actine. Un de ces facteurs de nucléation est le complexe Arp2/3, qui imite un dimère de G-actine afin de stimuler la nucléation (ou la formation du premier trimère) de la G-actine monomère. Le complexe Arp2/3 se lie aux filaments d'actine à 70 degrés pour former de nouvelles branches d'actine à partir des filaments d'actine existants. La nucléation médiée par Arp2/3 est nécessaire pour la migration cellulaire.
Un lamellipode est une protrusion cellulaire générée par la force de la polymérisation des microfilaments contre la membrane plasmique. Dans le cas où il est soumis à une force de compression (rencontre d'un obstacle par exemple) qui plie les microfilaments d'actine, les nouveaux microfilaments générés grâce à Arp2/3 seront préférentiellement orientés pour croître contre la force et les microfilaments orientés plus latéralement verront leur croissance arrêtée (Winkelman et al., 2020). Le réseau de microfilaments en croissance réagit ainsi rapidement aux contraintes mécaniques subies par la cellule.
Les formines constituent une autre famille impliquée dans la nucléation des microfilaments d'actine. Ils agissent en aval de la signalisation activée par la petite GTPase RhoA. Les souris qui n'ont plus Fhod3, un membre de la famille des formines, ne sont pas capables de refermer leur tube neural lors de la neurulation car la constriction apicale qui dépend de l'actine dans les cellules de la plaque neurale ne peut pas se faire correctement.
La dynamique de polymérisation de l'actine peut être modifiée. La profiline est une protéine qui aide l'actine F à se polymériser du côté barbelé du microfilament existant. Elle permet d'échanger un ADP contre un ATP qui est indispensable à la polymérisation. La protéine ADF (pour Actin Depolymerizing Factor) ou destrine accélère le "tapis roulant" de l'actine, c'est-à-dire la dépolymérisation du côté pointu, augmentant la concentration d'actine G, ce qui provoque l'accélération de la polymérisation du côté barbelé.
