MICROFILAMENTS: CARACTÉRISTIQUES, STRUCTURE, FONCTIONS, PATHOLOGIE - LA BIOLOGIE - 2025

Les microfilaments ou filaments d'actine, sont l'un des trois principaux composants du cytosquelette des cellules eucaryotes (microfilaments, microtubules et filaments intermédiaires) et sont composés de petits filaments d'une protéine appelée actine (polymères d'actine).

Chez les eucaryotes, les gènes qui codent pour les microfilaments d'actine sont hautement conservés dans tous les organismes, c'est pourquoi ils sont souvent utilisés comme marqueurs moléculaires pour des études de divers types.

Photographie des filaments d'actine d'une cellule tachée (Source: Howard Vindin via Wikimedia Commons)

Les microfilaments sont répartis dans tout le cytosol, mais ils sont particulièrement abondants dans la région sous-jacente à la membrane plasmique, où ils forment un réseau complexe et s'associent à d'autres protéines spéciales pour former le cytosquelette.

Les réseaux de microfilaments dans le cytoplasme des cellules de mammifères sont codés par deux des six gènes décrits pour l'actine, qui sont impliqués dans la dynamique des microfilaments et sont même très importants lors de la différenciation des cellules souches.

De nombreux auteurs conviennent que les microfilaments sont les protéines les plus diverses, les plus polyvalentes et les plus importantes du cytosquelette de la plupart des cellules eucaryotes, et il est important de se rappeler qu'elles ne se trouvent pas dans les micro-organismes procaryotes.

Dans ce type de cellules, par contre, il existe des filaments qui sont homologues de microfilaments, mais qui sont constitués d'une autre protéine: la protéine MreB.

À l'heure actuelle, on pense que le gène codant pour cette protéine est un gène ancestral possible de l'actine chez les eucaryotes. Cependant, l'homologie de séquence des acides aminés qui composent la protéine MreB n'est que de 15% par rapport à la séquence d'actine.

Comme ils sont une partie fondamentale du cytosquelette, tout défaut phénotypique dans les microtubules et les filaments intermédiaires et les microfilaments d'actine (cytosquelette) peut provoquer différentes pathologies cellulaires et systémiques.

Caractéristiques et structure

Les microfilaments sont constitués de monomères protéiques de la famille des actines, qui sont des protéines contractiles très abondantes dans les cellules eucaryotes, puisqu'elles participent également à la contraction musculaire.

Ces filaments ont un diamètre compris entre 5 et 7 nm, c'est pourquoi ils sont également appelés filaments minces et sont constitués de deux formes d'actine: la forme globulaire (G actine) et la forme filamenteuse (F actine).

Les protéines qui participent au cytosquelette sont appelées actines γ et β, tandis que celles qui participent à la contraction sont généralement des actines α.

La proportion d'actine globulaire et d'actine filamenteuse dans le cytosol dépend des besoins cellulaires, car les microfilaments sont des structures très variables et polyvalentes, qui ne cessent de croître et de se raccourcir par polymérisation et dépolymérisation.

La G actine est une petite protéine globulaire, composée de près de 400 acides aminés et d'un poids moléculaire d'environ 43 kDa.

Les monomères G-actine qui composent les microfilaments sont disposés sous la forme d'un brin hélicoïdal, car chacun subit une torsion lorsqu'il est associé au suivant.

La G actine s'associe à une molécule de Ca2 + et une autre d'ATP, qui stabilisent sa forme globulaire; tandis que la F-actine est obtenue après hydrolyse du phosphate terminal de la molécule d'ATP en G-actine, ce qui contribue à la polymérisation.

Organisation

Les filaments d'actine peuvent être organisés en "faisceaux" ou "réseaux" qui ont différentes fonctions au sein des cellules. Les faisceaux forment des structures parallèles reliées par des ponts transversaux assez rigides.

Les réseaux, en revanche, sont des structures plus lâches, comme des maillages tridimensionnels avec les propriétés de gels semi-solides.

Il existe de nombreuses protéines qui s'associent aux filaments ou microfilaments d'actine et sont connues sous le nom d'ABP (protéines liant l'actine), qui ont des sites spécifiques pour cela.

Beaucoup de ces protéines permettent aux microfilaments d'interagir avec les deux autres composants du cytosquelette: les microtubules et les filaments intermédiaires, ainsi qu'avec les autres composants sur la face interne de la membrane plasmique.

Les autres protéines avec lesquelles les microfilaments interagissent comprennent les lamelles nucléaires et la spectrine (dans les globules rouges).

Comment se forment les filaments d'actine?

Puisque les monomères globulaires d'actine se lient toujours de la même manière, orientés dans la même direction, les microfilaments ont une polarité définie, avec deux extrémités: une "plus" et une "moins".

La polarité de ces filaments est très importante, car ils croissent considérablement plus rapidement à leur extrémité positive, où les nouveaux monomères G-actine sont ajoutés.

Représentation graphique de la formation de microfilaments d'actine (Source: travail dérivé: Retama (discussion) Thin_filament_formation.svg: Mikael Häggström via Wikimedia Commons)

La première chose qui a lieu lors de la polymérisation des filaments d'actine est un processus appelé «nucléation», qui consiste en l'association de trois monomères de la protéine.

De nouveaux monomères sont ajoutés à ce trimère aux deux extrémités, de sorte que le filament se développe. Les monomères G-actine sont capables d'hydrolyser l'ATP à chaque liaison, ce qui a des implications sur la vitesse de polymérisation, puisque les groupements actine-ATP se dissocient plus difficilement que les groupements actine-ADP.

L'ATP n'est pas nécessaire pour la polymérisation et le rôle spécifique de son hydrolyse n'a pas encore été élucidé.

Certains auteurs considèrent que, les événements de polymérisation de l'actine étant rapidement réversibles, l'ATP associé à ces processus peut représenter jusqu'à 40% du renouvellement cellulaire total de cette molécule énergétique.

Régulation

Tant la polymérisation des filaments d'actine que leur dépolymérisation sont des processus hautement régulés par une série de protéines spécifiques, responsables du remodelage des filaments.

Des exemples de protéines qui régulent la dépolymérisation sont le facteur de dépolymérisation d'actine cofiline. Une autre protéine, la profiline, a une fonction opposée, puisqu'elle stimule l'association des monomères (en stimulant l'échange d'ADP contre l'ATP).

Caractéristiques

Les microfilaments interagissent avec les filaments de myosine associés à des protéines transmembranaires ayant un domaine dans le cytosol et un autre à l'extérieur de la cellule, participant ainsi aux processus de mobilité cellulaire.

Ces microfilaments associés à la membrane plasmique médient diverses réponses cellulaires à différentes classes de stimuli. Par exemple, l'adhésion cellulaire dans les tissus épithéliaux est conduite par des protéines transmembranaires appelées cadhérines, qui interagissent avec les microfilaments pour recruter des facteurs de réponse.

Les filaments d'actine interagissent avec les filaments intermédiaires pour provoquer la transmission de stimuli extracellulaires à des endroits clés tels que les ribosomes et les chromosomes dans le noyau.

Représentation de la fonction motrice intracellulaire des microfilaments d'actine (Source: Boumphreyfr via Wikimedia Commons)

Une fonction classique et bien étudiée des microfilaments est leur capacité à former des «ponts», des «rails» ou des «autoroutes» pour le mouvement de la protéine motrice myosine I, qui est capable de charger les vésicules de transport des organites à la membrane plasma dans les voies sécrétoires.

Les microfilaments interagissent également avec la myosine II pour établir l'anneau contractile qui se forme pendant la cytokinèse, précisément au cours de la dernière étape de la division cellulaire au cours de laquelle le cytosol est séparé des cellules souches et filles.

En général, les microfilaments de F-actine modulent la distribution de certains organites tels que le complexe de Golgi, le réticulum endoplasmique et les mitochondries. De plus, ils participent également au positionnement spatial des ARNm afin qu'ils soient lus par les ribosomes.

L'ensemble cellulaire des microfilaments, en particulier ceux qui sont étroitement liés à la membrane plasmique, participe à la formation des membranes ondulantes des cellules qui ont un mouvement actif constant.

Ils sont également impliqués dans la formation de microvillosités et d'autres bosses courantes à la surface de nombreuses cellules.

Exemple de fonctions dans le foie

Les microfilaments participent au processus de sécrétion de bile dans les hépatocytes (cellules hépatiques) et également aux mouvements péristaltiques (contraction coordonnée) des canalicules hépatiques.

Ils contribuent à la différenciation des domaines de la membrane plasmique grâce à leur association avec différents éléments cytosoliques et au contrôle qu'ils exercent sur la topographie de ces éléments intracellulaires.

Pathologies associées

Il existe peu de maladies associées à des défauts primaires de structure ou à des protéines et enzymes régulatrices dans la synthèse des microfilaments, bien que celles-ci soient directement impliquées dans un grand nombre de fonctions.

Le faible taux de maladies et de malformations dans la structure primaire des microfilaments est dû au fait que, en général, il existe de multiples gènes codant à la fois pour l'actine et ses protéines régulatrices, phénomène connu sous le nom de «redondance génétique».

L'une des pathologies les plus étudiées est la vitrification des ovocytes sur leur cytosquelette, où une interruption du réseau de microfilaments corticaux est observée, ainsi qu'une dépolymérisation et une désorganisation des microtubules du fuseau mitotique.

De manière générale, cette vitrification provoque une dispersion chromosomique, car elle conduit à un dérangement dans le compactage de toute la chromatine.

Les cellules qui ont une organisation et une proportion de microfilaments plus importantes dans leur cytosquelette sont les cellules du muscle strié, par conséquent, la plupart des pathologies sont associées à un dysfonctionnement de l'appareil contractile.

Des microfilaments défectueux ou atypiques ont également été associés à la maladie des os connue sous le nom de maladie de Paget.

Références

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