Cytosquelette : actine et myosine

Le cytosquelette est un réseau dynamique de protéines filamenteuses qui soutient l'architecture cellulaire, guide les mouvements intracellulaires et assure la motilité de la cellule entière. Il nécessite de l'énergie (ATP et GTP) pour ses fonctions et se trouve dans le cytoplasme.

Le cytosquelette est composé de trois types principaux de fibrilles, chacun ayant des caractéristiques structurelles et fonctionnelles distinctes. Leur coordination permet à la cellule de maintenir sa forme et de réaliser divers mouvements.

L'actine est une protéine cytosolique prépondérante, ubiquitaire dans les cellules eucaryotes (sauf les hématies), et codée par une famille de gènes hautement conservés. Il existe six types d'actine, répartis en actines α (musculaires) et actines β et γ (non musculaires et muscles lisses).

L'actine est synthétisée sous forme de monomère globulaire, l'actine G. Cette dernière se polymérise pour former un polymère hélicoïdal appelé actine F, un processus dépendant des cations (Mg2+). La dépolymérisation de l'actine F en actine G est rendue possible par l'hydrolyse de l'ATP en ADP + Pi, libérant l'énergie nécessaire.

Un monomère d'actine G possède un sillon ATPasique où l'ATP peut se fixer et être hydrolysé. L'actine F présente une polarité structurelle et fonctionnelle, avec une extrémité positive (+) et une extrémité négative (-). Le pôle (+) est du côté du sillon ATPasique et croît plus rapidement, tandis que le pôle (-) est plus fin et interagit avec les têtes de myosine. La myosine est d'ailleurs utilisée pour identifier cette polarité.

Les microfilaments d'actine sont constamment allongés ou raccourcis pour ajuster la forme cellulaire. Ce processus se déroule en trois phases : une phase de nucléation lente (formation d'un noyau stable), suivie d'une phase de croissance rapide, puis une phase d'équilibre. La densité des filaments influence leur longueur.

Certaines drogues sont des outils précieux pour étudier la dynamique de l'actine. Les cytochalasines se lient à l'extrémité (+) des filaments d'actine, bloquant leur polymérisation. Elles affectent les filaments dynamiques (motilité, mitose, phagocytose) mais pas les non-dynamiques (fibres musculaires). La phalloïdine, quant à elle, stabilise les filaments d'actine et bloque leur dépolymérisation, inhibant ainsi la plupart des mouvements cellulaires. La phalloïdine-rhodamine est un marqueur couramment utilisé en cytologie.

L'organisation et le comportement des filaments d'actine sont finement régulés par un ensemble de protéines associées à l'actine, telles que l'α-actinine, la gelsoline, la myosine et la taline. Ces protéines permettent l'association de l'actine en réseaux ou en faisceaux, essentiels pour diverses fonctions cellulaires. Parmi elles, la myosine I déplace certains organites, tandis que la myosine II est impliquée dans la contraction musculaire.

L'actine est un acteur majeur de la forme cellulaire et de la motilité, s'organisant en diverses structures pour soutenir la membrane plasmique et permettre les mouvements. Ces organisations peuvent être des faisceaux ou des réseaux, retrouvées dans des prolongements cytoplasmiques comme les microvillosités, les lamellipodes, les filopodes et les pseudopodes.

Les microvillosités sont des prolongements cytoplasmiques fins et stables, riches en faisceaux serrés d'actine. Elles augmentent la surface de contact de la membrane plasmique, notamment dans les cellules endothéliales de l'intestin, mais ne sont pas impliquées dans le déplacement cellulaire. Leur actine est connectée au réseau sous-cortical via des protéines comme la spectrine.

Les lamellipodes, filopodes et pseudopodes sont des extensions cytoplasmiques dynamiques impliquées dans la motilité. Les lamellipodes sont des prolongements larges et plats, tandis que les filopodes sont fins et longs, jouant un rôle dans l'adhésion. Les pseudopodes ont une taille intermédiaire. Ces structures poussent la membrane plasmique vers l'extérieur grâce à la polymérisation rapide de l'actine au pôle (+).

Les fibres de stress sont des faisceaux d'actine contractiles, moins serrés que ceux des filopodes, qui contiennent de la myosine. Elles sont cruciales pour la motilité cellulaire, permettant de tracter le corps cellulaire vers l'avant et de rapatrier les prolongements cytoplasmiques non fixés. L'orientation de ces fibres est souvent superposable avec les filaments de la matrice extracellulaire.

Les contacts focaux sont des sites d'adhésion majeurs entre la cellule et le substrat, impliquant des protéines transmembranaires appelées intégrines. Ces intégrines se lient à la matrice extracellulaire (MEC) et à l'actine cytoplasmique, formant des patchs qui ancrent les fibres de stress. Leur regroupement est facilité par la fluidité de la membrane plasmique, et ils sont essentiels pour l'adhésion et la signalisation cellulaire.

La motilité cellulaire repose principalement sur la polymérisation de l'actine et la génération de force qu'elle implique. La polymérisation intense de l'actine au bord avant de la cellule, notamment dans les lamellipodes, pousse la membrane plasmique et crée une protrusion. Cette poussée est efficace si le lamellipode établit un contact suffisant avec le substrat via les intégrines, permettant ensuite aux fibres de stress de tracter le corps cellulaire.

Le mouvement est une réponse appropriée à des stimuli externes, tels que les gradients de concentration (chimiotactisme). L'arrière de la cellule est endocyté et recyclé vers l'avant via les microtubules, optimisant ainsi la distribution des protéines d'adhésion comme les intégrines.

La régulation de la forme de l'actine est orchestrée par des protéines associées et des cascades de signalisation, impliquant notamment Rac1 et RhoA. Ces petites GTPases sont activées en gradient : Rac1 à l'avant de la cellule pour favoriser la polymérisation des filaments d'actine et la formation des lamellipodes, et RhoA à l'arrière pour induire la rétraction des filaments d'actine.

Les sites d'initiation de la polymérisation de l'actine (nucléation) sont activés par le complexe ARP2/3, lui-même sous l'influence de récepteurs membranaires aux chémokines. Ces signaux externes déterminent la longueur et le sens de la polymérisation, permettant à la cellule de se déplacer de manière directionnelle en réponse aux gradients de chémokines.

Le cytosquelette d'actine participe à la dégradation de la Matrice Extracellulaire (MEC) via des prolongements cellulaires spécifiques : les podosomes et les invadopodes. Ce processus est crucial pour le remodelage tissulaire normal, mais également pour la dissémination des cellules cancéreuses.

Ces structures d'actine recrutent des métalloprotéinases (MMPs), enzymes qui décomposent les composants de la MEC comme le collagène, l'élastine ou la fibronectine. Les MMPs sont synthétisées dans le cytoplasme puis transportées activement via des vésicules le long des filaments d'actine vers la membrane où elles sont exocytées.

Certains pathogènes intracellulaires, tels que Listeria, Shigella ou les virus Vaccinia, exploitent la polymérisation de l'actine cellulaire pour se déplacer à l'intérieur des cellules et envahir les cellules voisines. Ils induisent la formation d'une «queue d'actine» ou «comète» derrière eux, leur conférant une force propulsive. Ce mécanisme leur permet d'échapper à la détection par le système immunitaire et de se propager efficacement.

La myosine est un moteur moléculaire qui transforme l'énergie chimique de l'ATP en énergie mécanique. Elle se déplace le long des filaments d'actine, agissant comme des «rails», pour transporter diverses cargaisons (vésicules, mitochondries, RE) et est fondamentale pour la contraction musculaire. La myosine reconnaît spécifiquement l'actine, formant des complexes transitoires pour générer le mouvement.

Les fibres musculaires squelettiques sont de grandes cellules multinucléées contenant des myofibrilles striées. L'unité fonctionnelle de la contraction musculaire est le sarcomère, délimité par deux stries Z successives. Au sein du sarcomère, des bandes I (contenant uniquement de l'actine) et des bandes A (contenant actine et myosine) sont distinguées.

La contraction musculaire est initiée par la fixation d'une molécule d'ATP sur la tête de myosine, ce qui provoque un changement de conformation et une dissociation de l'actine. L'hydrolyse de l'ATP en ADP + Pi sur la myosine recharge la tête de myosine qui se fixe ensuite à l'actine. La libération du Pi entraîne un mouvement mécanique de la tête de myosine, faisant glisser les filaments d'actine et raccourcissant le sarcomère.

La régulation de la contraction implique la troponine et la tropomyosine. Au repos, la tropomyosine bloque les sites de liaison de la myosine sur l'actine. La liaison du calcium (Ca2+) à la troponine déplace la tropomyosine, exposant les sites de liaison et permettant l'interaction actine-myosine et la contraction.

En dehors de la contraction musculaire, la myosine est également présente dans les contacts focaux au sein des fibres de stress. Elle permet le glissement des filaments d'actine, rapprochant les contacts focaux ou ramenant l'arrière de la cellule vers l'avant, contribuant ainsi à la motilité cellulaire non musculaire.