Les microfilaments (filaments d’actine)

a) Constitution protéique, assemblage et structure.

- Constitution :

Les microfilaments sont constitués de monomères d’actine qui représentent, selon le type cellulaire, entre 1 à 10% de la quantité totale des protéines. Dans la cellule ils se présentent soit sous forme de monomère

globulaire (actine G) soit sous forme de polymère (actine F) car ils ont un aspect filamenteux.

On distingue 3 classes :

α actine, présente dans les cellules musculaires (muscles squelettiques striés et muscles lisses)β et γ actine dans les autres cellules

- Assemblage et structure :

L’actine G se polymérise en présence d’ATP (lié à l’actine) et le filament formé est une structure polaire. Il a une extrémité à croissance rapide (nommée « + ») puisque environ 1000 monomères peuvent être ajoutés par seconde et uneextrémité à croissance lente, voire très lente, (nommée « - » ). A noter que l’ATP n’est pas indispensable à la polymérisation mais il est requis lors de la dépolarisation et converti en ADP.

De nombreuses protéines (ARP2/3= Actin Related Proteins ; CapZ) initient la polymérisation alors que la gelsoline peut créer une scission du filament et éviter la repolymérisation. 

Un microfilament est constitué d'une double hélice d'actine polymérisée .

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A noter que les filaments d'actine sont associés en microfilaments dans les cellules non musculaires, en myofilaments dans les cellules musculaires.

b) Localisation cellulaire et protéines associées.

Ils sont localisés dans de nombreux « espaces » intracellulaires où ils sont associés à différents types de protéines (plusieurs dizaines sont connues) qui leur confèrent des propriétés structurelles et fonctionnelles. Selon leur localisation intracellulaire et le type de protéines associées on décrit trois modes d’organisation spatiale: faisceaux parallèles, faisceaux contractiles et mailles.

* Dans les microvillosités(structures situées au pôle apical des cellules de l’épithélium intestinal et qui permettent d’augmenter la surface d’absorption des nutriments) ils s’organisent en faisceaux parallèles maintenus par une protéine intercalaire (fimbrine).

* Dans les jonctions adhérentes, l’anneau contractile (au cours de la cytodiérèse), les fibres de tension des points focaux d’adhérence et les sarcomères, ils s’organisent en faisceaux contractiles et ils sont maintenus par une protéine intercalaire l’ a -actinine

* Dans les lamellipodes etpseudopodes (protrusion de la membrane plasmique) ainsi que dans le réseau situé sous la membrane plasmique (maintien de la membrane) ils s’organisent en mailles grâce aux interconnexions avec la filamine.

c) Fonctions

Une des fonctions majeures des microfilaments, comme celles des microtubules, est d’assurer les mouvements cellulaires.

* Migration cellulaire  :

La migration des neutrophiles vers une source d’inflammation sollicite une réorganisation des microfilaments (polymérisation de nouveaux filaments) pour le franchissement de la barrière endothéliale et leur déplacement au sein du tissu conjonctif.

* Transport de vésicules  :

Les vésicules de sécrétion sont essentiellement transportées le long des microtubules. Cependant, dans la phase finale, le transport de la vésicule est assuré par les microfilaments grâce à une protéine motrice, la myosine I, qui leur est associée. Ces moteurs moléculaires représentés par les dynéines, kinésines et myosines utilisent les filaments du cytosquelette comme cibles le long desquels ils peuvent se mouvoir. Ce sont des enzymes ATPases qui convertissent l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP en énergie mécanique pour produire des mouvements.

* Cicatrisation  :

C’est un phénomène complexe qui met en jeu les fibroblastes et les kératinocytes. Une phase importante de la cicatrisation va nécessiter :

- une adhérence des fibroblastes à la matrice extracellulaire

- une traction des fibroblastes sur la matrice pour diminuer la surface de la plaie.

Cette dernière étape est possible grâce aux faisceaux contractiles d’actine qui sont situés aux points focaux d’adhérence. Des protéines cytoplasmiques (vinculine, taline et a -actinine) assurent le lien entre les microfilaments et les molécules d’adhérence (intégrines).

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Il ne faut pas confondre les points focaux avec leshémidesmosomes car ils ont la même localisation membranaire (pôle basal de la cellule épithéliale). Ils différent essentiellement par le type de filaments qui leur est associé, il s’agit d’actine pour les points focaux et de filaments intermédiaires pour les hémidesmosomes.

* Cytodiérèse :

C’est la dernière étape de la mitose qui permet la scission de la cellule mère en deux cellules filles. Ce phénomène physique est réalisé grâce à la formation d’un anneau contractile de filaments et de la myosine (protéine associée) .

* Ségrégation tissulaire au cours de l’embryogenèse : formation du tube neural  :

La contraction progressive des filaments d’actine des ceintures d’adhérence ainsi que des expressions différentielles de molécules d’adhérence participent à la formation de la gouttière neurale, puis du tube neural.

* Phagocytose :

Lorsqu’un déchet cellulaire est repéré et ancré à la surface du globule blanc, la polymérisation de l’actine commence. Elle permet la formation d’extensions membranaires qui enrobent progressivement le déchet.

* Transport viral :

Les virus pénètrent dans la cellule soit par fusion de leur enveloppe avec la membrane plasmique soit par une voie d’endocytose récepteur dépendante. Pour beaucoup d’entre eux les étapes précoces de transport vers le centre de la cellule (principalement vers le noyau) impliquent le réseau d’actine. Les étapes ultérieures requièrent les microtubules.

* Cohésion tissulaire :

Dans les cellules épithéliales au niveau des jonctions étanches (zonula adherens), les microfilaments sont reliés au complexe de caténines ( a et b ) par l’intermédiaire de l’ a -actinine. En interagissant avec la myosine II ils forment des faisceaux contractiles qui sont d’autant plus nombreux qu’il y a de jonctions intercellulaires (jonctions étanches). L’ensemble des faisceaux constituant la ceinture d’adhérence. Chaque faisceau de microfilaments étant relié aux cadhérines elles permettent le pontage entre chaque ceinture d’adhérence de cellules adjacentes. L’ensemble forme un réseau intercellulaire qui permet de résister aux stress mécaniques et par voie de conséquence d’assurer la cohésion tissulaire.

* Architecture des microvillosités :

Les microvillosités (ou bordure en brosse) sont présentes dans les cellules ayant un rôle important dans réabsorption: cellules du tube proximal rénal, de l'épithélium de l'intestin grêle.

Dans les microvillosités les microfilaments sont agencés en faisceaux parallèles.

Les différentes protéines associées permettent : l’ancrage membranaire (minimyosine), la consolidation (fimbrine et villine), l’ancrage de la racine de la microvillosité (spectrine).

* Contraction du muscle squelettique strié :

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L’unité de contraction des muscles striés est le sarcomère. Il est constitué d’un assemblage de filaments d’actine et de filaments de myosine-II (protéine motrice ayant une activité ATPase). Lors de l’hydrolyse de l’ATP le changement de la position de la tête de myosine provoque un glissement les filaments d’actine sur les filaments de myosine. Le sarcomère se raccourcit, il est alors dans un état contracté.

 

Les filaments d’actine participent aussi à la résistance au stress mécanique lors de la contraction. Ils sont liés à la dystrophine qui elle même est liée à un complexe glycoprotéique de la membrane plasmique (sarcolemme) . L’absence de dystrophine (due à des mutations) chez l’homme est responsable de la maladie de Duchenne (myopathie progressive).

e) Effets de toxines et autre molécule:

La phalloïdine produite par l’amanite phalloïde a la propriété de se lier aux filaments d’actine. Elle s’oppose à leur dépolymérisation causant ainsi leur accumulation et donc un dysfonctionnement cellulaire.

La cytochalasine B a aussi une origine fongique et elle inhibe la polymérisation de l’actine ce qui altère l’organisation du réseau des filaments d’actine.

2- Les filaments intermédiaires

a) Constitution protéique, assemblage et structure.

- Constitution :

A la différence des microfilaments et des microtubules, les protéines constituant ce réseau sont extrêmement variées et leur nature chimique diffère selon le type cellulaire et la localisation intracellulaire. Par ailleurs, ce ne sont pas des protéines globulaires.

On distingue 4 grands types:

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Assemblage et structure  :

Chaque protéine possédant une zone centrale en hélice α, les monomères s’associent endimères hélicoïdaux parallèles. Puis les dimères s’associent en tétramères anti-parallèles qui se mettent bout à bout pour former desprotofilaments, un filament intermédiaire étant constitué de 8 protofilaments.

- A la différence des microfilaments etmicrotubules :

* l’assemblage des protéines est spontané et elles ne sont pas associées au GTP ou à l’ATP.

* le filament n’a pas de polarité.

- Le réseau de filaments est une structure dynamique régulée par des kinases et phosphatases. Il se réorganise au cours de nombreux processus physiologiques : mitose, migration des lymphocytes…

b) Localisation intracellulaire et protéines associées

Les filaments intermédiaires sont organisés en un réseau supramoléculaire complexe qui s’étend de la surface du noyau à la membrane plasmique.

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Ce réseau implique des interactions avec les autres éléments du cytosquelette: Si on altère les microfilaments d’actine avec la cytochalasine B on provoque une réorganisation du réseau de kératine (protéine des filaments intermédiaires). De même, l’altération des microtubules avec la colchicine provoque une désorganisation du réseau de vimentine.

Ils interagissent avec de nombreuses protéines  telles que:

BPAG1 (bullous pemphigoid antigen) localisées dans la plaque dense de l’hémidesmosomePlakoglobine, Desmoplakines I & II dans la plaque dense du desmosomePlectine, c ette protéine est un lien entre les filaments intermédiaires et :

° les microtubules et microfilaments° la membrane plasmique° les complexes transmembranaires (desmosomes et hémidesmosomes)° la lamina nucléaire

 

c) Fonctions

- les kératines :

Spécifiques des épithéliums, elles participent à l’architecture cellulaire en formant un réseau qui s’ancre dans lesdesmosomes   et   hémidesmosomes . Ce réseau étant en continuité avec les cellules adjacentes elles participent à la résistance aux forces de traction.

Dans l’épiderme : les kératines (Ke5 et Ke14) exprimées dans les kératinocytes de la couche basale assurent la cohésion entre cellule et matrice alors que les kératines (Ke1 et Ke10) exprimées en excès dans les kératinocytes de la couche superficielle sont responsables de la formation de la couche cornée. L’excès de kératines dans le cytoplasme provoque la mort des cellules, qui restent attachées au niveau des desmosomes. Le même phénomène se retrouve au cours de la formation de l’ongle, du poil ou cheveu.

- la vimentine :

participe à l’adaptation des cellules au stress mécanique. Ce phénomène est illustré lors de la migration des lymphocytes vers le site d’inflammation. Dans l’espace vasculaire, la vimentine est localisée à la périphérie du cytoplasme alors qu’elle est organisée autour du noyau lors du passage entre les cellules endothéliales. Elle participe aussi à la formation du réseau de GFAP (glial fibrillary acidic protein) dans les astrocytes.

- la desmine :

est spécifique des cellules musculaires. Dans les muscles squelettiques, elle entoure les myofibrilles au niveau des disques Z du sarcomère et les rend solidaires les unes des autres. En réalisant l’alignement des sarcomères elle confère aux muscles leur aspect strié en microscopie optique.

- les protéines des filaments dans les neurones : périphérine et nestine participent au développement du système nerveux

périphérique. le neurofilament L (NF-L) a un rôle modulateur du calibre des axones ainsi qu’un rôle

dans la régénération des axones. les neurofilaments participent avec les microtubules à la constitution du squelette des

prolongements des axones et dentrites.

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- les lamines :

Elles ont un rôle de soutien de l’enveloppe nucléaire. Au moment de la mitose le réseau de lamines est déstructuré et l’enveloppe nucléaire est fragmentée en vésicules. Le réseau est reconstitué en fin de mitose.

d) Pathologies

- épidermolyse bulleuse simplex (EBS)  : c’est une pathologie de la jonction dermo-épidermique chez l’homme (1 nouveau né/50000) qui se traduit sur le plan clinique par des clivages dans la peau (présence de bulles d’air). Elle est due à des mutations des kératines K5 ou K14 reliées aux protéines de plaque des hémidesmosomes.

- accumulation anormale de neurofilaments hyperphosphorylés  (appelée corps de Lewy): dans la maladie de Parkinson l’accumulation est observée dans la substance grise (100% des cas) et dans la maladie d’Alzheimer l’accumulation est corticale (20% des cas).

- cardiomyopathies  : dues à des mutations de lamines qui se traduisent par une diminution de la résistance au stress mécanique.

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