Cytoskeleton: Definition, Structure, Roles

Le Cytosquelette

Le cytosquelette est un réseau de fibres protéiques complexes et dynamique situé dans le cytoplasme des cellules eucaryotes, qui joue un rôle crucial dans le maintien de la forme cellulaire, le mouvement et l'organisation interne de la cellule. Il ancre les organites en des sites spécifiques et est composé de plusieurs types de fibres.

I. Définition du cytosquelette

Le cytosquelette est un réseau de fibres protéiques qui parcourt le cytosol (hyaloplasme) de toutes les cellules eucaryotes. Il est essentiel pour la morphologie cellulaire, servant à maintenir la forme de la cellule et à ancrer les organites (morphoplasme). Ce réseau est constitué de trois types principaux de fibres : les microtubules, les microfilaments et les filaments intermédiaires.

II. Structure du cytosquelette

Le cytosquelette est composé de trois types de fibres, chacune caractérisée par ses sous-unités constitutives, son diamètre et sa dynamique.

II.1. Les microtubules

Les microtubules (MT) sont des fibres constitutives du cytosquelette. Leur temps de demi-vie est d'environ 10 minutes.

II.1.1. Définition

Les microtubules sont des cylindres creux d'environ 25 nm de diamètre et de longueur variable, constitués de protéines appelées tubulines.

II.1.2. Structure

Les microtubules sont des tubes dont la paroi est formée de protofilaments de tubuline. On compte en moyenne 13 protofilaments par microtubule. Chaque protofilament est un assemblage orienté de dimères de tubuline.

• Composition Chimique : Les microtubules sont principalement composés de deux protéines globulaires, la tubuline alpha () et la tubuline bêta (). Ces deux tubulines s'associent pour former des hétérodimères (~53 et 55 kDa) qui possèdent des sites de liaison pour le GTP, la colchicine et la vinblastine. Ces tubulines montrent peu de variation évolutive. Le microtubule a un diamètre d'environ 25 nm.

• Types de Microtubules :

  • Microtubules labiles: Ils ne sont conservés que sous certaines conditions (fixation à l'aldéhyde et température supérieure à 4°C). Souvent parallèles entre eux, comme les neurotubules ou les microtubules des fuseaux de division.

  • Microtubules stables: Ils sont présents quelles que soient les conditions de fixation.

    • Centrioles : Organites cylindriques présents dans les cellules animales (sauf chez les végétaux supérieurs), généralement par paires et disposés à angle droit à proximité du noyau. Ils sont entourés d'un halo appelé centrosome et participent à l'assemblage des microtubules. Un centriole est un cylindre de 24 nm de diamètre et 50 nm de long, constitué de 9 triplets de microtubules. Le tubule A interne est entier, les deux autres ont une section en croissant. Les centrioles forment un diplosome.

    • Cils et Flagelles : Digitations de la surface cellulaire (10 nm pour les cils, 50 nm pour les flagelles) dont la base est constituée d'un centriole ou cinétosome. Les tubules A et B du centriole se prolongent pour former les doublets externes. Une paire de tubules centraux prend naissance près d'une plaque basale. L'ensemble des doublets périphériques et des tubules centraux est appelé axonème, généralement de type 9+2. Les microtubules A des doublets externes portent deux rangées de bras (constitués de dynéines ATPasiques) et sont reliés par des ponts. Des fibres rayonnantes unissent les doublets périphériques à un manchon central.

II.1.3. Rôles

Les microtubules ont de multiples rôles essentiels au sein de la cellule :

• Maintien de la Forme Cellulaire : Ils assurent la rigidité de certaines cellules, comme les globules rouges des vers.

• Trafic Intracellulaire : Ils servent de "rails" pour le déplacement des particules le long desquels des protéines motrices (kinésines et dynéines) transportent des vésicules et des organites. Les kinésines se déplacent vers l'extrémité positive (+) (transport antérograde), et les dynéines vers l'extrémité négative (-) (transport rétrograde).

• Division Cellulaire (Mitose) : Les microtubules forment le fuseau mitotique et sont impliqués dans la formation de la plaque équatoriale et le déplacement polaire des chromosomes.

• Mobilité Cellulaire : Ils sont essentiels à la motilité des cils et flagelles.

II.1.4. Formation (Dynamique des Microtubules)

La formation du microtubule se déroule en trois phases :

1. Phase de Nucléation : Assemblage rapide des hétérodimères - de tubuline, concomitant à l'hydrolyse du GTP (guanosine triphosphate) par la sous-unité . Ce "noyau" sert de base à la croissance du microtubule.

2. Phase d'Élongation : Les dimères se lient préférentiellement aux extrémités (+) du microtubule. In vivo, le pôle (-) est stabilisé et lié au centre de nucléation (centrosome). Un microtubule est formé d'environ 13 protofilaments.

3. Phase d'Équilibre : Le microtubule est soumis à un processus d'instabilité dynamique, une alternance de phases de polymérisation et de dépolymérisation.

Protéines Associées aux Microtubules (MAPs) :

• Certaines MAPs stabilisent les microtubules.

• D'autres MAPs (comme les kinésines et dynéines) sont des ATPases impliquées dans le transport des vésicules et des organites.

Modulateurs de la Polymérisation des Microtubules :

• Inhibiteurs : La colchicine, la vinblastine, la vincristine et le nocodazole bloquent la polymérisation, favorisant la dépolymérisation. Ils sont utilisés in vitro pour l'établissement de caryotypes et en clinique dans la lutte contre les cellules cancéreuses.

• Activateurs : Le taxol stabilise les microtubules en favorisant leur polymérisation.

II.1.5. Pathologie

Des anomalies biochimiques des microtubules et des MAPs peuvent entraîner diverses pathologies :

• Syndrome de Kartagener (Dyskinésie Ciliaire Primitive - DCP) : Maladie génétique caractérisée par une anomalie de fonctionnement des cils due à une altération de l'expression des gènes codant pour les dynéines, kinésines et autres MAPs. Cela entraîne une diminution de la motilité ciliaire/flagellaire, affectant le système respiratoire, l'appareil reproducteur (masculin et féminin) et peut conduire à un situs inversus (inversion de la position des organes). La DCP est une maladie autosomique récessive.

• Maladie d'Alzheimer : Dégénérescence des cellules nerveuses, entraînant des troubles de la mémoire et du comportement. Elle est liée à des anomalies des protéines Tau, des MAPs qui stabilisent les microtubules neuronaux.

• Paralysie Supranucléaire Progressive (PSP) : Maladie neurodégénérative rare, caractérisée par une atteinte oculomotrice supra-nucléaire et une instabilité posturale progressive, liée à l'accumulation anormale de la protéine Tau.

II.2. Les microfilaments

II.2.1. Définition

Les microfilaments, ou filaments d'actine, ont été décrits pour la première fois dans les muscles. Ce sont des fibres protéiques dont le diamètre est d'environ 5-7 nm et une longueur d'environ 1 µm.

II.2.2. Structure

Ils sont principalement constitués d'actine et de myosine.

• Actine :

  • L'actine G (globulaire) est la monomère (sous-unité) de l'actine.

  • L'actine F (filamenteuse) est formée de la polymérisation de deux chaînes d'actine G tressées en double hélice, chaque spire s'étendant sur 40 nm. La polymérisation de l'actine G en actine F est favorisée par les ions Mg²⁺, K⁺ ou Na⁺.

• Myosine :

  • La myosine est une protéine motrice qui interagit avec l'actine. Les filaments de myosine, d'un diamètre de 15 nm, sont constitués de 300 à 400 molécules.

  • Une molécule de myosine comprend deux chaînes lourdes et quatre chaînes légères. Chaque chaîne lourde possède une tête globuleuse et un segment hélicoïdal. Deux chaînes légères sont associées à chaque tête.

  • Les segments hélicoïdaux des deux chaînes lourdes s'unissent pour former une queue, d'où émergent les deux têtes.

  • Dans un filament de myosine, les molécules sont unies par leurs segments hélicoïdaux, et les têtes se projettent vers l'extérieur aux deux extrémités.

  • Les têtes de myosine (fragments S1) interagissent avec l'actine et sont composées d'une chaîne lourde (~95 kDa) associée à une chaîne légère (alcaline ou essentielle). Une solution de papaïne peut révéler l'association de la chaîne lourde de la tête globulaire avec ses deux types de chaînes légères (RLC et ECL). Le fragment S2, la partie bâtonnet, est formé de deux courtes chaînes lourdes associées.

  • La myosine de type 2 est la seule à former des filaments épais, avec des chaînes lourdes de 200 kDa et des chaînes légères de 16 & 20 kDa. Elle possède une zone d'interaction avec l'actine.

II.2.3. Rôles

Les microfilaments jouent des rôles cruciaux dans la mobilité, la forme et le transport intracellulaire :

• Contraction musculaire avec la myosine.

• Mouvement amiboïde.

• Cytocinèse (division du cytoplasme).

• Maintien de la forme cellulaire (ex: microvillosités).

• Transport de vésicules.

II.2.4. Formation (Actine)

L'actine globulaire (actine G) polymérise pour former l'actine filamenteuse (actine F).

II.3. Les filaments intermédiaires

II.3.1. Définition des filaments intermédiaires

Ce sont des molécules stables et fibrillaires, dont le diamètre varie de 7 à 12 nm. Contrairement aux microtubules et microfilaments, ils ne sont pas composés d'hétérodimères mais de monomères.

II.3.2. Structure

Les filaments intermédiaires sont constitués de protéines qui varient selon le type cellulaire et tissulaire.

• Classification des Filaments Intermédiaires :

  • Type I : Cytokératines des épithéliums (acides).

  • Type II : Cytokératines des épithéliums (neutres/basiques).

  • Type III :

    • Vimentine (60 kDa) : Caractéristique des fibroblastes et chondrocytes.

    • Desmine : Caractéristique des cellules musculaires lisses et fibroblastes.

    • GFAP (Glial Fibrillary Acidic Protein) : Caractéristique des cellules gliales (astrocytes).

    • Périphérine : Neurones.

  • Type IV :

    • Neurofilaments (NFI, m, h) : Présents dans les neurones.

    • Internexines : Neurones.

  • Type V : Lamines : Localisées au niveau du noyau.

  • Type VI : Nestine : Cellules souches neuroépithéliales.

II.3.3. Rôles des Filaments intermédiaires

Les filaments intermédiaires sont surtout connus pour leur rôle mécanique et structural :

• Maintien de la Forme Cellulaire : Ils concourent au maintien de la forme des cellules et à l'ancrage des organites.

• Solidité Cellulaire : Ils confèrent une grande résistance mécanique à la cellule, la protégeant du stress mécanique.

• Adhérence et Cohésion Cellulaire : Ils sont en relation avec les desmosomes et hémidesmosomes, assurant ainsi l'adhérence intercellulaire et la cohésion tissulaire.

II.3.4. Formation

La formation des filaments intermédiaires implique l'assemblage de monomères spécifiques en dimères, puis en tétramères, et enfin en protofilaments qui s'assemblent latéralement pour former le filament final.

III. Rôles du cytosquelette en général

Le cytosquelette est un élément essentiel et ancien, présent de la bactérie à l'Homme, réparti dans l'ensemble de la cellule (cytoplasme et noyau). Il est impliqué dans de nombreuses fonctions vitales et peut être la cause de pathologies humaines.

• Maintien de la forme de la cellule.

• Mobilité cellulaire.

• Rôle important dans le trafic cellulaire (transport de molécules, de vésicules et d'organites).

• Rôle crucial dans la division cellulaire (mitose et cytocinèse).

• Intégration de structures cellulaires.

• Participe à la spécificité tissulaire.

V. Objectifs (points clés à retenir)

• Les microtubules sont des hétérodimères (alpha-bêta tubuline).

• Les microfilaments d'actine sont des homodimères (actine G polymérisée en actine F).

• Les filaments intermédiaires sont un ensemble diversifié de protéines constitutives, stables et conférant une résistance mécanique.

• Le cytosquelette est dynamique et essentiel à la structure, la fonction et la survie cellulaire.

Le cytosquelette est un réseau de fibres protéiques essentiel pour la cellule eucaryote. Il lui confère sa forme, ancre les organites et est impliqué dans de nombreux processus cellulaires.

I. Structure du cytosquelette

Le cytosquelette est composé de trois types de fibres principales :

• Les microtubules
• Les microfilaments
• Les filaments intermédiaires

II.1. Les Microtubules (MT)

Les microtubules sont des composants cruciaux du cytosquelette. Ils sont formés de tubuline alpha et bêta.

II.1.1. Définition

• Fibres constitutives du cytosquelette.
• Temps de demi-vie d'environ 10 minutes (labiles).

II.1.2. Structure des microtubules

Il existe deux types de microtubules selon leur stabilité :

• Microtubules labiles : Conservés sous certaines conditions (fixation à l'aldéhyde, T° > 4°C). Ex: neurotubules, fuseaux de division.
• Microtubules stables : Présents quelles que soient les conditions de fixation.

Ce sont des cylindres creux de 24 nm de diamètre et de 50 nm de long, constitués de 13 protofilaments.

Les centrioles (organites cylindriques, 24 nm de diamètre, 50 nm de long) sont composés de 9 triplets de microtubules stables. Ils sont essentiels à l'assemblage des microtubules et présents dans presque toutes les cellules animales (sauf végétaux supérieurs).

• Les cils et flagelles sont des digitations cellulaires dont l'axe est un axonème, généralement de type 9+2 (9 doublets périphériques et 2 tubules centraux).
• Les microtubules A des doublets externes portent des bras de dynéines (activité ATPasique) responsables des mouvements.

II.1.3. Composition chimique

• Composants majeurs : Tubuline Alpha et Tubuline Bêta.
• Ces tubulines s'associent en hétérodimères (contrairement à l'actine qui est un homodimère).
• Les hétérodimères ont des sites de liaison pour le GTP, la colchicine et la vinblastine.

II.1.4. Rôles

• Forme des cellules : Assurent la rigidité (ex: globules rouges de vers).
• Courants intracytoplasmiques : Servent de "rails" pour le déplacement de particules et organites grâce à des protéines motrices.
• Mitose : Formation de la plaque équatoriale et déplacement des chromosomes.

II.1.5. Formation

1. Phase de nucléation : Assemblage des hétérodimères alpha et bêta de tubuline, avec hydrolyse du GTP.
2. Phase d'élongation : Les dimères se lient, plus rapidement à l'extrémité (+). Le pôle (-) est stabilisé par le centrosome in vivo.
3. Phase d'équilibre : Le microtubule est soumis à l'instabilité dynamique.

Les MAPs (Microtubule Associated Proteins) régulent la stabilité et le rôle physiologique des MT:

• Kinésines : Moteurs moléculaires se déplaçant vers l'extrémité (+) (transport antérograde).
• Dynéines : Moteurs moléculaires se déplaçant vers l'extrémité (-) (transport rétrograde).

II.1.6. Pathologies

• Syndrome de Kartagener (Dyskinésie Ciliaire Primitive - DCP) : Maladie génétique autosomique récessive due à l'altération des dynéines, kinésines et autres MAPs, entraînant une diminution de la motilité ciliaire (système respiratoire, reproduction) et possiblement le situs inversus.
• Maladie d'Alzheimer : Destruction des cellules nerveuses, troubles cognitifs.
• Paralysie Supranucléaire Progressive (PSP) : Maladie neurodégénérative rare, oculomotrice et instabilité posturale.

II.1.7. Inhibiteurs et activateurs

• Inhibiteurs de polymérisation : Colchicine, vinblastine, vincristine, nocodazole (utilisés pour détruire le fuseau mitotique en clinique oncologique).
• Activateur de polymérisation : Taxol.

II.2. Les Microfilaments

Ces filaments sont principalement composés d'actine et de myosine.

II.2.1. Définition

• D'abord décrits dans le muscle.
• Diamètre des filaments d'actine (actine F) : 5 nm, longueur : 1 µm.

II.2.2. Structure

• Composés de deux chaînes tressées (chaque spire ~40 nm).
• Chaque chaîne est une association de monomères d'actine G (globulaire).
• La polymérisation de l'actine G en actine F est favorisée par Mg²⁺, K⁺ ou Na⁺.
• Myosine : Filaments de 15 nm de diamètre, composés de 300 à 400 molécules.
• Une molécule de myosine comprend deux chaînes lourdes et quatre chaînes légères.
• Chaque chaîne lourde a une tête globuleuse (S1) et un segment hélicoïdal (S2).
• Les têtes S1 de myosine sont associées à deux chaînes légères et interagissent avec l'actine.
• La myosine de type 2 forme les filaments épais.

II.3. Les Filaments Intermédiaires (FI)

Ces filaments apportent une grande résistance mécanique aux cellules.

II.3.1. Définition

• Molécules stables fibrillaires.
• Diamètre : 7 à 12 nm.

Ils sont classés en plusieurs types selon leur spécificité d'expression :

• Type I : Cytokératines acides (épithélium).
• Type II : Cytokératines neutres/basiques (épithélium).
• Type III :
  • Vimentine (fibroblastes, chondrocytes).
  • Desmine (cellules musculaires lisses).
  • GFA (cellules gliales).
  • Périphérine (neurones).
• Type IV : Neurofilaments (neurones), Internexines (neurones).
• Type V : Lamines (noyau).
• Type VI : Nestine (cellules souches neuroépithéliales).

II.3.2. Rôles

• Maintien de la forme cellulaire et ancrage des organites.
• Confèrent la solidité à la cellule.
• Interviennent dans l'adhérence et la cohésion cellulaire (en relation avec les desmosomes et hémidesmosomes).

III. Rôles généraux du cytosquelette

• Détermine la forme de la cellule.
• Permet la mobilité cellulaire.
• Rôle crucial dans le trafic cellulaire (transport d'organites et vésicules).
• Participe à la division cellulaire (fuseau mitotique et cytokinèse).
• Est un système ancien, présent de la bactérie à l'Homme.
• Est réparti dans l'ensemble de la cellule (cytoplasme et noyau).
• Impliqué dans de nombreuses pathologies humaines.