3 Le cytosquelette
3.3 Le cytosquelette d’actine
3.3.2 Régulation de la dynamique du cytosquelette d'actine
Les protéines associées à l'actine régulent l'assemblage, le désassemblage et la stabilité de l'actine-F. L'assemblage d'un nouveau filament d'actine fait suite à la succession de deux processus que sont la nucléation et la polymérisation. La nucléation, qui est le processus initiateur de la formation d'un filament d'actine, correspond à l'association de 3 monomères d'actine-G pour former le "noyau". À partir de ce dernier, il y aura polymérisation de nouveaux monomères d'actine-G afin de former le filament d'actine.
Parmi ces protéines d'assemblage, le complexe Arp2/3 favorise la formation d'un nouveau filament à partir d'un filament pré-existant en formant un branchement avec un angle d’environ 70° 61. Ce complexe, composé de 7 sous-unités protéiques, se localise au niveau
des lamellipodes et permet l'établissement d'un réseau ramifié branché. Cela génère un grand nombre d'extrémités barbées au niveau de la membrane plasmique, ce qui exerce une force mécanique permettant son expansion sous l'élongation des filaments 62. La classe
des formines est également impliquée dans la nucléation des filaments d'actine telles que les protéines mDia (mDia1, 2 et 3) qui sont les mieux caractérisées. Les formines sont une classe de protéines permettant la polymérisation de l'actine en absence de filament préexistant ce qui permet de générer un filament de novo 63. Il faut noter que la dynamique
de l'actine-F dépend du réservoir d'actine-G disponible. Maintenir l'activité de nucléation ou de polymérisation n'est pas possible sur une longue période sans avoir à régénérer le réservoir d'actine-G. Ce dernier est contrôlé par de nombreuses protéines telles que la profiline et l'ADF/cofiline (Actin depolymerizing factor). La profiline se fixe préférentiellement à l'actine-G-ADP et permet d'échanger ce nucléotide au profit de celui de l'ATP favorisant la nucléation de l'actine-G-ATP à l'extrémité barbée afin d'allonger les filaments d'actine. Bien que liée à l'actine-G-ATP, la profiline est incapable d'initier la nucléation de l'actine 64.
Parmi les protéines permettant d'accélérer le processus de dépolymérisation afin de régénérer le réservoir d’actine-G, la famille ADF/cofiline a un rôle central dans ce processus
65. Elle se lie préférentiellement à l'actine-F riche en ADP 66 et permet la coupure de ce
dernier générant, à partir d'un filament d'actine, une seconde extrémité pointue à partir duquel l'actine peut se dissocier 67. De plus, il a été montré que d'autres facteurs modulent
l'activité de la cofiline afin de favoriser ou d'inhiber la dépolymérisation de l'actine-F. Par exemple, la tropomyosine se fixe sur 7 sous-unités d’actine, ce qui inhibe la fixation de l’ADF/cofiline et protège le filament d’actine de la fragmentation 68. Par contre, Aip1 est une
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protéine de coiffe qui se fixe exclusivement sur l’extrémité barbée des fragments ce qui aboutit à leur dépolymérisation totale 69.
D'ailleurs, la stabilisation des filaments d'actine aux extrémités peut être assurée par les protéines de coiffe. Elles empêchent tant la polymérisation à l'extrémité barbée que la dépolymérisation à l'extrémité pointue. Ainsi, par la présence des protéines de coiffe, la cellule est capable de réguler l'extension et la dépolymérisation de ses fibres d'actine, mais également le réservoir d'actine-G en favorisant l'activité soit à l'extrémité barbée soit à l'extrémité pointue 64 (figure 1.7).
Figure 1.7 : Régulation de la dynamique de l’actine par les protéines associées à l’actine.
La ADF/cofiline permet la coupure du filament d’actine après sa liaison à ce dernier. Cette liaison peut être inhibée par la tropomyosine qui permet de protéger le filament de l’action de la cofiline. Cela favorise la dépolymérisation du filament permettant de régénérer de l’actine-G. La profiline se fixe à l’actine-G ADP et permet de faciliter l’échange du nucléotide ADP au profit de l’ATP. Ainsi, l’actine- G ATP peut de se polymériser de nouveau à l’extrémité barbée d’un filament non coiffé. Cette extrémité barbée peut provenir d’un nouveau filament généré par la protéine Arp2/3 qui permet de créer un nouveau filament à partir d’un existant avec un angle de 70°. Illustration par Jonathan Bergeman.
3.3.2.2 Régulation par les Rho GTPases
Bien que les protéines associées à l'actine contrôlent la dynamique du cytosquelette, elles sont elles-mêmes contrôlées par les GTPases de la famille de Rho qui comporte une vingtaine de membres et dont les mieux caractérisés sont Rac1 (Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1), RhoA (Ras homolog gene family member A) et Cdc42 (Cell division control protein 42 homolog) et dont leur rôle seront discutés dans la section de la migration
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cellulaire 70. Bien qu'aujourd'hui ces GTPases sont connues pour jouer différentes fonctions
tant au niveau de la migration cellulaire, du cycle cellulaire, de la survie cellulaire et de la transcription des gènes, initialement, elles ont été identifiées comme des protéines régulant le cytosquelette d'actine 71,72.
Les GTPases existent sous deux formes : la forme active liée au GTP et la forme inactive liée au GDP. Le passage d'un état à l'autre est contrôlé par deux classes de protéines, les GEFs (guanine nucleotide exchange factors) et les GAPs (GTPases activating proteins). Il y a actuellement environ 70 GEFs et autant de GAPs identifiées. Cela implique, au vu de leur nombre, qu'une même Rho GTPase peut être régulée par plusieurs GEFs et GAPs. Par ailleurs, il est possible qu'une même GEFs ou GAPs soit capable de réguler plusieurs Rho GTPases différentes 70. Les GEFs favorisent l'échange de la molécule GDP par une
molécule de GTP activant, par le fait même, la Rho GTPase. Comme cette dernière possède une faible activité enzymatique d’hydrolyse du GTP, les GAPs accélèrent cette hydrolyse du GTP lié à la Rho GTPase ramenant la protéine à l’état inactif. De plus, pour assurer leur fonction biologique, la plupart des Rho GTPases doivent se localiser à la membrane plasmique ou aux endomembranes (figure 1.8)
Une troisième classe de protéine, les GDIs (Guanine nucleotide dissociation inhibitor), régule les Rho GTPases. Ils permettent leur dissociation à la membrane, ce qui les séquestre au niveau du cytoplasme inhibant leur activité 73.
Figure 1.8 : Mécanisme de régulation des Rho GTPases.
Lorsqu’elles sont associées au GDP, les Rho GTPases sont sous forme inactive. Afin de redevenir active, une protéine GEF est nécessaire pour échanger le GDP en GTP. Les protéines GAP permettent de rendre la Rho GTPase sous forme inactive en hydrolysant le GTP en GDP. De plus, l’activité des Rho GTPases peut être inhibée par les GDI en les séquestrant au niveau du cytoplasme. Illustration par Jonathan Bergeman.
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Le cytosquelette est donc un réseau complexe de différents filaments qui s’étend dans le cytoplasme. Ces filaments résultent comme nous l’avons vu d’éléments monomériques capable de s’organiser et de s’assembler afin de donner une structure à la cellule. Il s’agit d’une structure très dynamique et finement régulée qui se réorganise en continu afin de s’adapter à l’environnement cellulaire. En effet, il participe à la morphologie cellulaire et joue un rôle central dans l’adhésion et la migration cellulaire.
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