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Assemblage et désassemblage des filaments d’actine

L’actine a été isolée pour la première fois des cellules musculaires, dans lesquelles elle constitue environ 20% de la protéine cellulaire totale, en 1942. Bien que l’on ait d’abord pensé que l’actine était uniquement impliquée dans la contraction musculaire, on sait maintenant qu’il s’agit d’une protéine extrêmement abondante (typiquement 5 à 10% de la protéine totale) dans tous les types de cellules eucaryotes. Les levures ne possèdent qu’un seul gène d’actine, mais les eucaryotes supérieurs possèdent plusieurs types distincts d’actine, qui sont codés par différents membres de la famille des gènes d’actine. Les mammifères, par exemple, possèdent au moins six gènes d’actine distincts : Quatre sont exprimés dans différents types de muscles et deux sont exprimés dans des cellules non musculaires. Toutes les actines, cependant, sont très similaires en termes de séquence d’acides aminés et ont été hautement conservées au cours de l’évolution des eucaryotes. L’actine de levure, par exemple, est identique à 90% en séquence d’acides aminés aux actines des cellules de mammifères.

Les structures tridimensionnelles des molécules d’actine individuelles et des filaments d’actine ont été déterminées en 1990 par Kenneth Holmes, Wolfgang Kabsch et leurs collègues. Les molécules d’actine individuelles sont des protéines globulaires de 375 acides aminés (43 kd). Chaque monomère d’actine (actine globulaire) possède des sites de liaison étroits qui permettent des interactions tête-bêche avec deux autres monomères d’actine, de sorte que les monomères d’actine se polymérisent pour former des filaments (actine filamenteuse) (figure 11.2). Chaque monomère subit une rotation de 166o dans les filaments, qui ont donc l’apparence d’une hélice à double brin. Comme tous les monomères d’actine sont orientés dans la même direction, les filaments d’actine ont une polarité distincte et leurs extrémités (appelées extrémités plus et moins) se distinguent les unes des autres. Cette polarité des filaments d’actine est importante à la fois pour leur assemblage et pour établir une direction unique du mouvement de la myosine par rapport à l’actine, comme nous le verrons plus loin dans le chapitre.

Figure 11.2. Assemblage et structure des filaments d'actine.

Figure 11.2

Assemblage et structure des filaments d’actine. (A) Les monomères d’actine (actine G) se polymérisent pour former des filaments d’actine (actine F). La première étape est la formation de dimères et de trimères, qui croissent ensuite par l’ajout de monomères aux deux extrémités. (B) Structure d’un (suite…)

L’assemblage des filaments d’actine peut être étudié in vitro par la régulation de la force ionique des solutions d’actine. Dans les solutions de faible force ionique, les filaments d’actine se dépolymérisent en monomères. L’actine se polymérise alors spontanément si la force ionique est augmentée à des niveaux physiologiques. La première étape de la polymérisation de l’actine (appelée nucléation) est la formation d’un petit agrégat composé de trois monomères d’actine. Les filaments d’actine sont ensuite capables de croître par l’ajout réversible de monomères aux deux extrémités, mais une extrémité (l’extrémité plus) s’allonge cinq à dix fois plus vite que l’extrémité moins. Les monomères d’actine lient également l’ATP, qui est hydrolysé en ADP après l’assemblage des filaments. Bien que l’ATP ne soit pas nécessaire à la polymérisation, les monomères d’actine auxquels l’ATP est lié polymérisent plus facilement que ceux auxquels l’ADP est lié. Comme nous le verrons plus loin, la liaison et l’hydrolyse de l’ATP jouent un rôle clé dans la régulation de l’assemblage et du comportement dynamique des filaments d’actine.

Parce que la polymérisation de l’actine est réversible, les filaments peuvent se dépolymériser par la dissociation des sous-unités d’actine, ce qui permet de rompre les filaments d’actine lorsque cela est nécessaire (figure 11.3). Il existe donc un équilibre apparent entre les monomères et les filaments d’actine, qui dépend de la concentration de monomères libres. La vitesse à laquelle les monomères d’actine sont incorporés dans les filaments est proportionnelle à leur concentration, il existe donc une concentration critique de monomères d’actine à laquelle la vitesse de leur polymérisation en filaments est égale à la vitesse de dissociation. À cette concentration critique, les monomères et les filaments sont en équilibre apparent.

Figure 11.3. Polymérisation réversible des monomères d'actine.

Figure 11.3

Polymérisation réversible des monomères d’actine. La polymérisation de l’actine est un processus réversible, dans lequel les monomères s’associent et se dissocient à la fois des extrémités des filaments d’actine. Le taux de dissociation des sous-unités (koff) est indépendant de la concentration en monomères, (suite…)

Comme indiqué précédemment, les deux extrémités d’un filament d’actine croissent à des vitesses différentes, les monomères étant ajoutés à l’extrémité à croissance rapide (l’extrémité plus) cinq à dix fois plus rapidement qu’à l’extrémité à croissance lente (moins). Comme l’ATP-actine se dissocie moins facilement que l’ADP-actine, il en résulte une différence dans la concentration critique de monomères nécessaire à la polymérisation aux deux extrémités. Cette différence peut entraîner le phénomène connu sous le nom de treadmilling, qui illustre le comportement dynamique des filaments d’actine (Figure 11.4). Pour que le système soit dans un état d’équilibre global, la concentration des monomères d’actine libres doit être intermédiaire entre les concentrations critiques nécessaires à la polymérisation aux extrémités plus et moins des filaments d’actine. Dans ces conditions, il y a une perte nette de monomères à l’extrémité moins, qui est équilibrée par une addition nette à l’extrémité plus. Le treadmilling nécessite de l’ATP, l’ATP-actine se polymérisant à l’extrémité positive des filaments tandis que l’ADP-actine se dissocie de l’extrémité négative. Bien que le rôle du treadmilling dans la cellule ne soit pas clair, il pourrait refléter l’assemblage et le désassemblage dynamiques des filaments d’actine nécessaires aux cellules pour se déplacer et changer de forme.

Figure 11.4. Treadmilling.

Figure 11.4

Treadmilling. Les extrémités négatives croissent moins rapidement que les extrémités positives des filaments d’actine. Cette différence de vitesse de croissance se traduit par une différence de concentration critique pour l’addition de monomères aux deux extrémités du filament. Actine liée à l’ATP (suite…)

Il est à noter que plusieurs médicaments utiles en biologie cellulaire agissent en se liant à l’actine et en affectant sa polymérisation. Par exemple, les cytochalasines se fixent aux extrémités plus des filaments d’actine et bloquent leur allongement. Cela entraîne des modifications de la forme des cellules ainsi que l’inhibition de certains types de mouvements cellulaires (par exemple, la division cellulaire après la mitose), ce qui indique que la polymérisation de l’actine est nécessaire à ces processus. Un autre médicament, la phalloïdine, se lie étroitement aux filaments d’actine et empêche leur dissociation en molécules d’actine individuelles. La phalloïdine marquée avec un colorant fluorescent est fréquemment utilisée pour visualiser les filaments d’actine par microscopie à fluorescence.

Au sein de la cellule, l’assemblage et le désassemblage des filaments d’actine sont régulés par des protéines de liaison à l’actine (figure 11.5). Le renouvellement des filaments d’actine est environ 100 fois plus rapide à l’intérieur de la cellule qu’in vitro, et ce renouvellement rapide de l’actine joue un rôle critique dans une variété de mouvements cellulaires. La protéine clé responsable du désassemblage des filaments d’actine dans la cellule est la cofiline, qui se lie aux filaments d’actine et augmente la vitesse de dissociation des monomères d’actine de l’extrémité négative. De plus, la cofiline peut sectionner les filaments d’actine, générant plus d’extrémités et améliorant encore le désassemblage des filaments.

Figure 11.5. Effets des protéines de liaison à l'actine sur le renouvellement des filaments.

Figure 11.5

Effets des protéines de liaison à l’actine sur le renouvellement des filaments. La cofiline se lie aux filaments d’actine et augmente le taux de dissociation des monomères d’actine (liés à l’ADP) de l’extrémité moins. La cofiline reste liée aux monomères d’ADP-actine, empêchant leur réassemblage (suite…)

La cofiline se lie préférentiellement à l’ADP-actine, elle reste donc liée aux monomères d’actine après le désassemblage des filaments et les séquestre sous la forme liée à l’ADP, empêchant leur réincorporation dans les filaments. Cependant, une autre protéine de liaison à l’actine, la profiline, peut inverser cet effet de la cofiline et stimuler l’incorporation des monomères d’actine dans les filaments. La profiline agit en stimulant l’échange de l’ADP lié pour l’ATP, ce qui entraîne la formation de monomères d’ATP-actine, qui se dissocient de la cofiline et sont alors disponibles pour l’assemblage en filaments. D’autres protéines (protéines Arp2/3) peuvent servir de sites de nucléation pour initier l’assemblage de nouveaux filaments, de sorte que la cofiline, la profiline et les protéines Arp2/3 (ainsi que d’autres protéines de liaison à l’actine) peuvent agir ensemble pour promouvoir le renouvellement rapide des filaments d’actine et le remodelage du cytosquelette d’actine, qui est nécessaire à divers mouvements et changements de forme des cellules. Comme on pouvait s’y attendre, les activités de la cofiline, de la profiline et des protéines Arp2/3 sont contrôlées par une variété de mécanismes de signalisation cellulaire (abordés au chapitre 13), permettant à la polymérisation de l’actine d’être régulée de manière appropriée en réponse aux stimuli environnementaux.

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