Le cytosquelette
Le cytosquelette est composé de différentes structures organisées par la polymérisation de protéines élémentaires. On distingue trois types de structures : les filaments intermédiaires (FI), les microtubules (MT) et les microfilaments d’actine (MF). Elles sont impliquées dans le transport des protéines et des organelles de la cellule (MT et MF) et le maintien de la morphologie cellulaire (FI et MF). Les FI peuvent être polymérisés à partir de protéines différentes selon les types cellulaires. Ils participent à des fonctions de transport, au soutien et à l'ancrage de la position des organites dans le cytoplasme mais également à la morphologie cellulaire par leur association aux complexes d’adhérence cellules-cellules (desmosomes) et cellules-matrice extracellulaire (hémi-desmosome). La dynamique de ces FI est importante pour la flexibilité à la cellule. Les cellules épithéliales expriment plutôt des kératines plus
Figure 11: Les Rho GTPases.
A/ Les Rho GTPases sont activées par les Rho GEF qui les lient au GTP. Les Rho GAP hydrolysent ce GTP et conduisent à l’inactivation de la Rho GTPase en rendant sa fixation possible aux Rho GDI. (d’après Fukata, 2001). Inactif Actif Rho Rho Rho GEF Rho GAP Rho GDI Rho GDI Rho GDI Effecteur GTP GTP GDP GDP Pi
rigides et impliquées dans la polarité cellulaire tandis que les fibroblastes expriment de la vimentine qui est plus flexible. Dans un même type cellulaire, la nature des FI peut également varier au cours de la différenciation et de la dédifférenciation lors de la transition épithélio-mésenchymateuse, comme retrouvé dans les cellules entérocytaires en culture. Les MT sont des structures plus dynamiques que les FI, nucléés à partir de centre organisateur des microtubules tel que le centrosome situé prés du noyau. Lors de la mitose ce centrosome se duplique et joue un rôle prépondérant dans la ségrégation des chromosomes. Des défauts de sa duplication survenant après la division cellulaire peuvent occasionner l'apparition de centrosomes surnuméraires. Ceux-ci entraînent lors des prochaines mitoses une instabilité chromosomique qui participe au processus de l'initiation et de la progression tumorale. Des moteurs moléculaires tels que dynéines, kinésines permettent d’adresser les protéines en cours de trafic au niveau de leurs compartiments cibles, en utilisant les MT comme support. Les MF sont des structures assemblées au niveau de centres organisateurs WASP et WAVE et subissent des cycles permanents de polymérisation/dépolymérisation. Cette dynamique est exploitée lors des processus de migration où la polymérisation de l'actine permet la formation de protrusions membranaires. D’autres protéines peuvent s’associer au cytosquelette d’actine pour le stabiliser et contrôler sa morphologie. Au niveau des entérocytes différenciés, la villine stabilise les MF au pôle apical pour former les micro-villosités de la bordure en brosse (Mooseker, 1983) (Figure 10). La myosine permet le trafic de vésicules sur les MF en prolongement du réseau de MT. Certaines autres formes de myosine participent également à la formation de fibres contractiles (ou fibres de stress) au niveau des contacts intercellulaires et au niveau des adhérences cellule-MEC. Une perte de l’adhérence suivie de l’anoïkose des cellules est obtenue en induisant la dépolymérisation ou en figeant le cytosquelette d’actine avec des drogues telles que la cytochalasine ou la phalloïdine.
Les Rho GTPases
La dynamique de polymérisation et de dépolymérisation constitue un aspect important de la fonction du cytosquelette d’actine. Ces cycles sont organisés par des protéines « architectes », les Rho GTPases, qui recrutent et organisent des centres de nucléation contenant des effecteurs spécifiques. Les Rho GTPases sont des protéines monomériques de 20-30kDa, de la famille Ras, capables de lier du guanosine tri-phosphate (GTP) ou du guanosine di-phosphate (GDP), conditionnant respectivement leur états activés ou non (Figure 11) (Jaffe and Hall, 2005). Cette activation est régulée par l’échange d'une molécule de GDP
Figure 12: Rho A, Rac, Cdc 42 et organisation du cytosquelette d’actine. Parmi les Rho GTPases les plus étudiées, Rho A induit la formation de fibres de stress en recrutant des Formines, Rac de lamellipodes en recrutant WAVE-ARP2/3 et Cdc-42 de filopodes en recrutant WAS-WAVE-ARP2/3 . (Hall, A., 1998 ; Jaffe, AB. 2005). Filopodes Lamellipodes Fibres de stress Formine Rho Rac Cdc42
contre une molécule de GTP et vice versa suivant la présence de protéines activatrices telles que les « guanine nucleotide exchange factors » (Rho GEF), ou inhibitrices comme les « GTPase activating proteins » (Rho GAP) qui favorisent l’hydrolyse du GTP par les Rho GTPases. Une dernière forme de protéines régulatrices, les « guanine nucleotide dissociation inhibitors » (Rho GDI) séquestrent les Rho GTPases liées au GDP et les maintiennent dans une conformation inactive. Les Rho GTPases subissent des modifications post-traductionnelles de type géranylation ou farnésylation qui leur permettent de s'associer à la membrane plasmique, à proximité des récepteurs membranaires.
Les Rho GTPases subissent une régulation spaciale et temporelle. Lorsqu'un récepteur est activé, il induit l’activation des Rho GTPases via les Rho GEF et la polymérisation locale du cytosquelette d’actine selon une architecture dépendante de la nature des Rho GTPases (Hall, 1998). Ainsi, différentes Rho GTPases peuvent être activées simultanément ou séquentiellement dans la cellule. De la même manière, une même Rho GTPase peut être active en un point et inactive à un autre endroit. Ces particularités sont à la base des mécanismes de régulation impliqués dans la migration cellulaire et l’assemblage désassemblage des jonctions intercellulaires.
Chez les mammifères, vingt-deux protéines de la famille des Rho GTPase ont été répertoriées ; les plus étudiées restent RhoA, Rac et Cdc42 (Figure 12) (Aspenstrom, 1999). Une fois RhoA activé, il recrute les formines qui sont impliquées dans la nucléation de l’actine et la stabilisation des MF. Cette coopération donne lieu à la polymérisation rapide de fibres parallèles non ramifiées, tenues les unes au autres par des molécules de myosine. Ces fibres sont attachées soit aux jonctions adhérentes des cellules épithéliales par l'intermédiaire d'interactions avec la Formine-1 et l’α-ctn, soit aux adhérences focales (Kobielak et al., 2004). Rac recrute les complexes de nucléation de l’actine Arp2/3 (Actine related protein) via l'activation de WAVE (WASP-family Verprolin-homologous prorein) qui sont responsables d’une organisation ramifiée et dynamique du cytosquelette d’actine impliquée dans la formation des lamellipodes (Le Clainche and Carlier, 2008). En recrutant Arp2/3 sous le contrôle des protéines WASP (Wiskott-Aldrich Syndrome Protein), Cdc42 permet de former des fibres fasciculées dont la polymérisation induit la formation de protrusions membranaires constituant les filopodes ou les épines dendritiques dans les neurones (Mattila and Lappalainen, 2008). Certaines protéines associées aux fibres de stress comme les formines sont d'ailleurs retrouvées dans les filopodes où elles participent à la stabilisation des structures
Figure 13: Les jonctions inter-cellulaires.
Les jonctions inter-cellulaires sont formées par différents complexes d’adhérence. Du pôle apical au pôle basal, on retrouve des jonctions serrées (JS), des jonctions adhérentes (JA) et des desmosomes (Desm) (d’après Perrez-Moreno, M., 2003 et wikipedia).
JS
JA
Desm Lumen
d'actine. Ces différentes organisations du cytosquelette influencent fortement la migration et la mise en place ou le désassemblage des jonctions intercellulaires. Dans les fibroblastes, Rho-A est impliqué dans la formation des fibres de stress et des adhérences focales, Rac dans l’organisation des lamellipodes et des adhérences focales et Cdc42 dans la formation de filopodes (Braga et al., 1997). Au niveau des cellules épithéliales, RhoA et Rac sont également essentiels à l’établissement et au maintien des jonctions adhérentes (Braga, 2000; Braga, 2002). L’augmentation ou l’inhibition de leur activité conduit à la perte des jonctions. Le recrutement et la régulation fine de ces Rho GTPases aux contacts intercellulaires nouvellement formés gèrent l’organisation du cytosquelette d’actine cortical et les tensions qu'il exerce sur les protéines d’adhérence. Ces processus sont essentiels au renforcement des contacts, à l’établissement de la polarité cellulaire et à leur maintien (Lozano et al., 2003).