Le cytosquelette

Introduction

Le cytosquelette est un réseau de filaments protéiques structurant le cytoplasme des cellules eucaryotes, en interaction avec des protéines associées. Il est responsable de la forme et de la mobilité cellulaires, mais aussi d'événements intracellulaires : répartition et déplacement des organites, des vacuoles et des vésicules. Sa propriété fondamentale est d'être une structure DYNAMIQUE, en perpétuelle réorganisation par assemblage et désassemblage — polymérisation et dépolymérisation — de ses constituants. C'est précisément cette dynamique qui en fait une cible thérapeutique majeure : la colchicine du traitement de la goutte, les alcaloïdes de la pervenche et le taxol de la chimiothérapie anticancéreuse agissent tous sur la polymérisation des microtubules. Le cytosquelette comprend trois constituants principaux que nous étudierons successivement : les microtubules (MT), les microfilaments d'actine (FA) et les filaments intermédiaires (FI).

I. Les microtubules

A. Structure morphologique

• En MO : les microtubules ne sont pas observables en tant que tels ; on les visualise par des anticorps fluorescents anti-tubuline.
• En MET : tubes creux de longueur variable, de 25 nm de diamètre extérieur et 15 nm de diamètre intérieur.
• En coloration négative, la section est constituée de 13 particules globulaires (sous-unités). L'alignement longitudinal des sous-unités constitue un PROTOFILAMENT ; l'association de 13 protofilaments constitue un microtubule.

B. Composition et dynamique

• La molécule de tubuline est un HÉTÉRODIMÈRE DISSYMÉTRIQUE, fait de deux sous-unités globulaires étroitement réunies : la sous-unité α et la sous-unité β.
• In vitro, en présence de GTP et de Mg²⁺, les dimères αβ polymérisent en microtubules ; le remplacement du GTP par le GDP entraîne la dépolymérisation. La polymérisation est aussi appelée nucléation.
• In vivo, le MTOC (centre organisateur des microtubules) intervient dans la polymérisation-dépolymérisation.
• L'association se fait toujours avec une extrémité α d'un côté et une extrémité β de l'autre : le microtubule est donc polarisé. Une extrémité est dite (+), l'autre (−). Dans la cellule, l'extrémité (−) est PROXIMALE (proche du noyau) et l'extrémité (+) DISTALE (périphérique).
• La longueur dépend de l'équilibre entre tubuline libre et tubuline polymérisée. À une certaine concentration de tubuline libre, dite CONCENTRATION CRITIQUE, le microtubule garde la même longueur tout en perdant des dimères du côté (−) et en gagnant la même quantité du côté (+) : il fonctionne à la façon d'un tapis roulant. Si la concentration diminue, il se raccourcit.

C. Les poisons des microtubules

D. Les protéines associées : les MAP

Les MAP (Microtubule Associated Proteins) sont responsables de la stabilité ou de la labilité des microtubules. Il existe en effet des microtubules instables (labiles) et des microtubules stables — neurotubules des cellules nerveuses, microtubules des centrioles et des cils —, ces derniers étant stabilisés par des protéines associées.

• MAP stabilisatrices : les protéines HMW (high molecular weight) stabilisent les microtubules des cellules nerveuses ; la protéine Tau, surtout localisée dans les axones, accélère la polymérisation et stabilise les microtubules.
• Protéines motrices — ce sont des ATPases :
• Les DYNÉINES, proches de la dynéine ciliaire, transportent les vésicules de la périphérie vers le centre cellulaire.
• Les KINÉSINES transportent les vésicules du centre vers la périphérie. Le domaine à activité ATPasique saute d'une sous-unité β à la suivante, soit une distance de 8 nm, en consommant une molécule d'ATP.

E. Fonctions des microtubules

• Mouvements des chromosomes au cours de la mitose et de la méiose, avec formation du fuseau mitotique.
• Transport intracellulaire de vacuoles et de vésicules.
• Polarité cellulaire (extrémités + et −).
• Forme cellulaire — exemple des plaquettes sanguines.
• Transport des ARNm vers leur site d'utilisation.
• Distribution du contenu cytoplasmique, par exemple celle du réticulum endoplasmique.

II. Les filaments d'actine

A. Généralités et structure

• L'actine représente 5 % des protéines des cellules eucaryotes, mais 20 % dans les cellules musculaires.
• En MO : facilement observables dans les cellules musculaires ; ailleurs, ils sont révélés par des anticorps fluorescents et se présentent en faisceaux ubiquitaires mais souvent périphériques.
• En MET : filaments de longueur variable et de 5 à 6 nm de diamètre. En coloration négative, ils apparaissent comme une suite de sous-unités globulaires — l'actine G (globulaire) — constituant l'actine F (fibreuse).

B. Dynamique

• L'actine G est la forme libre de la protéine.
• In vitro, en présence d'ATP, de Mg²⁺ et de K⁺, elle polymérise en une chaîne d'actine F ; deux chaînes F s'enroulent en hélice pour constituer un filament d'actine.
• Filaments et molécules libres sont en équilibre dynamique, avec là aussi une concentration critique.
• En raison de la dissymétrie de l'actine G, le filament possède une extrémité (+) et une extrémité (−).

C. Les poisons de l'actine

• Inhibiteur de la POLYMÉRISATION : les cytochalasines (A à F, extraites de moisissures ; B est la plus utilisée). Elles se fixent sur l'extrémité (+) et empêchent ainsi l'addition de nouvelles molécules.
• Inhibiteur de la DÉPOLYMÉRISATION : la phalloïdine, extraite de l'amanite phalloïde, protéine mortelle. Elle se fixe sur les côtés du filament, en s'attachant à chaque monomère, et empêche la libération des monomères.

D. Les protéines associées à l'actine (ABP)

Les ABP (actin binding proteins) contrôlent la polymérisation et la dépolymérisation des filaments, leur stabilisation, leur assemblage en faisceaux, leur fragmentation, leur attachement à la MP, et interviennent dans les fonctions de contraction.

E. Fonctions

Elles résultent des différentes combinaisons des filaments d'actine.

• 1. Les faisceaux contractiles : filaments parallèles pouvant interagir avec la myosine II. Ils constituent les anneaux contractiles associés aux jonctions serrée et diffuse, qui maintiennent la forme du pôle apical et en modifient éventuellement le diamètre. Ancrés sur la MP au niveau des contacts focaux, ils forment des faisceaux lâches, pontés par l'α-actinine ; au cours de son déplacement, la cellule détruit et reconstitue alternativement ces contacts focaux.
• 2. Les faisceaux serrés : filaments parallèles associés à la fimbrine et à la villine. Ils maintiennent la forme des microvillosités et sont responsables des protrusions de la MP : lamellipodes, spicules, pseudopodes. Ces faisceaux n'étant PAS contractiles, ces mouvements s'expliquent par la polymérisation des filaments, qui repousse la membrane vers l'extérieur.
• 3. Le réseau d'actine : en interaction avec la filamine, les filaments forment un réseau qui donne au cytosol une consistance de GEL.
• 4. Fluidification du cortex cellulaire : la traversée du cortex par les vésicules d'endocytose et d'exocytose s'explique par sa fluidification, grâce à des protéines comme la GELSOLINE qui, en présence de Ca²⁺, fragmente les filaments et transforme le cytosol en SOL.
• 5. Détournement par des bactéries : Listeria monocytogenes, phagocytée puis échappée dans le cytosol, expose des protéines de surface capables de polymériser l'actine en une « queue » de filaments. La force de propulsion lui permet de passer directement d'une cellule à l'autre par exocytose-phagocytose, sans passer par le milieu extracellulaire, où elle serait reconnue par les anticorps.

III. Les filaments intermédiaires

A. Généralités et structure

• Groupe hétérogène de filaments qui consolident les cellules au sein d'un tissu. Ils sont présents dans le cytoplasme ET le nucléoplasme des cellules eucaryotes. Malgré leur diversité, ils sont tous construits sur le même modèle.
• En MO : faisceaux dont la dénomination dépend du type cellulaire — tonofibrilles (cellules épithéliales), neurofibrilles (cellules nerveuses), gliofibrilles (cellules névrogliques).
• En MET : filaments de 8 à 10 nm de diamètre — INTERMÉDIAIRE entre celui des filaments d'actine (5-6 nm) et celui des microtubules (25 nm), d'où leur nom : tonofilaments, neurofilaments, gliofilaments.

B. Assemblage moléculaire

Les filaments intermédiaires sont des polymères de protéines fibreuses, assemblés en cinq étapes :

• 1. Le monomère comprend un domaine central hydrophobe enroulé en hélice α, très semblable d'une famille à l'autre, et deux extrémités non enroulées de longueur variable, portant des sites de phosphorylation et de O-glycosylation.
• 2. Les monomères s'associent PARALLÈLEMENT en dimères.
• 3. Les dimères s'associent de façon ANTIPARALLÈLE, avec un léger décalage, en tétramères.
• 4. Plusieurs tétramères se mettent bout à bout pour constituer un protofilament.
• 5. HUIT protofilaments se groupent pour constituer un cylindre : le filament intermédiaire.

C. Classification

D. Propriétés et fonctions

• Les filaments intermédiaires NE SONT PAS POLARISÉS — à la différence des microtubules et des filaments d'actine.
• Ils sont très résistants : ils confèrent à la cellule sa stabilité mécanique et sa résistance à la tension (étirement, compression, déformation).
• Dans l'épiderme, les filaments de kératine assurent la résistance mécanique et l'imperméabilité à l'eau, cette dernière propriété s'expliquant par leur insolubilité dans l'eau.
• Le diamètre des neurones est en relation avec les neurofilaments : l'augmentation anormale du volume du péricaryon ou du diamètre de l'axone aboutit à la mort du neurone.

Conclusion

Les trois constituants du cytosquelette se distinguent d'abord par leur calibre — 25 nm pour les microtubules, 8 à 10 nm pour les filaments intermédiaires, 5 à 6 nm pour les filaments d'actine — mais surtout par leur logique fonctionnelle. Microtubules et filaments d'actine sont polarisés et dynamiques : ils se construisent et se détruisent en permanence, ce qui leur permet d'assurer les mouvements — division cellulaire, transport intracellulaire, migration, contraction. Les filaments intermédiaires, non polarisés et très résistants, assurent au contraire la stabilité mécanique. Cette dynamique explique la sensibilité du cytosquelette aux poisons : colchicine, vinblastine, taxol pour les microtubules ; cytochalasines et phalloïdine pour l'actine. Elle explique aussi son rôle dans les différenciations membranaires étudiées précédemment. Nous verrons dans le chapitre suivant l'un de ses éléments les plus organisés, le centriole, qui constitue le centre organisateur des microtubules et donne naissance aux cils et aux flagelles.