Les filaments intermédiaires sont des composants importants du système cytosquelettique de la cellule. Ils peuvent stabiliser des organites, comme le noyau, ou être impliqués dans des jonctions spécialisées. Ils se distinguent des « filaments fins » par leur taille (8-10 nm) et par le fait que les filaments fins sont manifestement mobiles. Cependant, des preuves récentes indiquent que les filaments intermédiaires peuvent également avoir des propriétés dynamiques. Voir Barre latérale pour quelques photographies.
Les filaments intermédiaires sont l’un des trois types d’éléments du cytosquelette. Les deux autres sont les filaments fins (actine) et les microtubules. Fréquemment, les trois éléments travaillent ensemble pour améliorer à la fois l’intégrité structurelle, la forme de la cellule et la motilité des cellules et des organites. Les filaments intermédiaires sont stables et durables. Leur diamètre est compris entre 8 et 10 nm (taille intermédiaire par rapport aux filaments fins et aux microtubules). Ils sont proéminents dans les cellules qui résistent aux contraintes mécaniques et constituent la partie la plus insoluble de la cellule. Les filaments intermédiaires peuvent être dissociés par l’urée.
Il existe cinq types différents de filaments intermédiaires :
- Types I et II : kératine acide et kératine basique, respectivement. Produits par différents types de cellules épithéliales (vessie, peau, etc).
- Type III. Les filaments intermédiaires sont distribués dans un certain nombre de types de cellules, notamment : La vimentine dans les fibroblastes, les cellules endothéliales et les leucocytes ; la desmine dans les muscles ; le facteur acide fibrillaire glial dans les astrocytes et d’autres types de glie, et la périphérine dans les fibres nerveuses périphériques.
- Type IV. Neurofilament H (lourd), M (moyen) et L (faible). Les modificateurs font référence au poids moléculaire des protéines NF. Un autre type IV est « l’internexine » et certains IV non standard sont présents dans les fibres du cristallin de l’œil (filensine et phakinine).
- Type V sont les lamines qui ont une séquence signal nucléaire afin de pouvoir former un support filamenteux à l’intérieur de la membrane nucléaire interne. Les lamines sont indispensables à la reformation de l’enveloppe nucléaire après la division cellulaire.
Polymérisation des filaments intermédiaires.
Le monomère :
Chaque monomère de filament intermédiaire est constitué d’un domaine de tige en hélice alpha, qui relie les terminaisons amino (tête) et carboxyl( queue). La figure ci-dessous (16-12 d’après Alberts et al Biology of the cell, Garland Publishing, N.Y. 1996) montre quelques exemples de monomères.
Formation du protofilament
Les tiges s’enroulent autour d’un autre filament comme une corde pour former un dimère. Les terminaisons N et C de chaque filament sont alignées. Certains filaments intermédiaires forment des homodimères, d’autres des hétérodimères.
Ces dimères forment ensuite des tétramères décalés qui s’alignent tête-bêche. Notez que les terminaisons carboxy et amino se projettent à partir de ce protofilament. Ce tétramère est considéré comme la sous-unité de base du filament intermédiaire.
Le filament final de 10 nm est un réseau hélicoïdal de ces tétramères.
Régulation de l’assemblage ou du désassemblage des filaments intermédiaires.
La plupart des filaments intermédiaires sont entièrement polymérisés. Cependant, il existe des preuves que même ces structures stables ont des propriétés dynamiques. On trouve du tétramère libre dans le cytoplasme comme s’il s’agissait de la sous-unité de base pour l’assemblage de nouveaux filaments. De plus, si on phosphoryle les résidus sérine dans les terminaisons aminées on peut provoquer le désassemblage.
Ajouter du tétramère marqué à une cellule qui produit ce type de filament intermédiaire. Peut regarder le tétramère s’incorporer dans le système cytosquelettique et l’étiquette est vue dans un réseau linéaire ou squiggle. Si vous l’ajoutez à une cellule qui ne produit pas normalement le tétramère, alors il ne s’ajoutera pas et le système cytosquelettique ne » s’allumera » pas.
Ceci peut être testé par Récupération de fluorescence après photoblanchiment (FRAP)
Cette technique utilise une lumière laser UV pour blanchir une zone de marqueur dans une cellule. Ensuite, on peut chronométrer la récupération du marquage soit suite à l’introduction d’un nouveau matériel marqué, soit par simple déplacement du marquage dans la structure. Dans le cas des filaments intermédiaires, la FRAP permet de détecter l’incorporation de tétramères marqués dans une zone blanchie du cytosquelette. On peut comparer les temps d’incorporation de différents types de tétramères dans différents types de filaments intermédiaires. On peut également observer la motilité de ces structures. Le document qui sera lu pour ce cours montre des exemples de ces deux types de tests. Dans la cellule ci-dessous, une tache sombre se forme après le photoblanchiment au laser. La tache est plus petite après 30 min et a presque disparu après 2 h.
Les protéines associées aux filaments intermédiaires
Les protéines associées aux filaments intermédiaires peuvent lier les filaments de manière réticulée (pour améliorer la stabilité), ou elles peuvent lier les filaments à d’autres structures. Quelques exemples sont vus ci-dessous.
- Plectine : Liaisons croisées avec les microtubules
- Récepteur B de la laminine : se lie à la membrane nucléaire interne
- Ankyryne : lie l’actine aux filaments intermédiaires à la base de la cellule
- Desmoplakine : se lie aux filaments intermédiaires au site du desmosome
Types de filaments intermédiaires
Lamines
Dans l’évolution, les Lamines ont probablement été les premiers filaments intermédiaires fabriqués.Elles possèdent un domaine de tige très long et portent un signal de transport nucléaire car elles résident dans le noyau, juste sous l’enveloppe nucléaire. Ils sontcontinus à l’exception d’une rupture aux sites du complexe du pore nucléaire.
Ils sont représentés ci-dessus comme formant un réseau en forme de treillis (d’après Albertset al, Garland Press, NY). La figure de gauche est une micrographie électronique de la zone contenant les lamines, juste à l’intérieur de l’enveloppe nucléaire. Elles sont difficiles à distinguer de l’hétérochromatine dense voisine.
Les lamines sont phosphorylées à la fin de la prophase, ce qui entraîne leur désassemblage alors que l’enveloppe nucléaire se décompose également. Ensuite, le phosphate est éliminé juste avant la formation du noyau de la cellule fille et les filaments de lamines se réassemblent autour de chaque ensemble de chomosomes, sous la membrane nucléaire interne de chaque cellule fille. On peut bloquer ce processus en ajoutant des anticorps contre les lamines avant la formation des membranes nucléaires.
Jonctions spécialisées
Les filaments intermédiaires de type I et II sont respectivement des kératines acides et basiques. Leurs monomères se trouvent dans les mêmes cellules et les dimères doivent contenir un de chaque type (un hétérodimère). Si l’on donne des monomères marqués d’un seul type, peu de cellules ajouteront l’étiquette au système cytosquelettique. Cependant si l’on donne des monomères des deux types, les systèmes cytosquelettiques des kératines seront fortement marqués.
Les kératines ont également des sous-types qui sont uniques à différentes cellules épithéliales (vessie, peau, etc.) ou même différents sous-ensembles d’un type de cellule (comme les cellules basales de l’épiderme). Cela est utile pour détecter l’origine des cellules d’une tumeur, notamment les cellules qui ont formé des métastases.
Dans les épithéliums, les filaments intermédiaires des kératines forment des jonctions qui maintiennent les cellules ensemble (desmosomes), ou attachent les cellules à la matrice (hémidesmosomes). Dans les cellules musculaires, les filaments intermédiaires qui forment le desmosome sont des « desmins ».
Desmosomes : Deux plaques sur des cellules adjacentes (contenant de la desmoplakine et d’autres protéines) sont reliées par des molécules de cadhérine. Ces molécules sont liées par le calcium. Les filaments intermédiaires s’enroulent dans les plaques et se répandent dans le cytoplasme. Cela permet de relier deux cellules ensemble de manière structurelle. Kératines
Les cellules ci-dessus proviennent de la peau et les cellules semblent avoir des épines projetées qui touchent les épines des cellules adjacentes. En fait, il s’agit de sites de connexion desmosome qui est une jonction vitale dans la peau. La technique de fixation a fait rétrécir les cellules, laissant les sites de connexion visibles. Une micrographie électronique montrant un desmosome est visible à gauche. Les filaments intermédiaires s’enroulent en boucle de manière presque parallèle.
Les patients qui fabriquent des anticorps contre les molécules de cadhérine auront des desmosomes faibles ou absents et la peau formera des cloques. Ces zones remplies de liquide se trouveront dans les régions où se trouvent les cellules avec des épines.
Hémidesmosomes : Sont des sites de connexions à la base d’une cellule épithéliale avec la matrice. Le dessin animé ci-dessous en montre les composants. Les filaments intermédiaires sont collés dans une plaque (comme la plaque du desmosome) et les molécules d’intégrine (récepteurs des protéines de la matrice) aident à connecter le site avec la matrice.
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Filaments intermédiaires de type III
On les trouve dans une variété de types de cellules. Chacun est unique à ce type de cellule et utilisé pour identifier les tissus contenant ce type de cellule. La vimentine se trouve dans les cellules dérivées du mésoderme : fibroblastes, cellules endothéliales, globules blancs;
La desmine se trouve dans les cellules musculaires, reliant les disques en Z et peut relier le centre des unités contractiles. On la trouve également connectée aux desmosomes dans des jonctions spécialisées (muscle cardiaque).
La protéine acide fibrillaire gliale se trouve dans les cellules gliales du système nerveux central.
Les filaments intermédiaires de type IV
Comprennent les neurofilaments L, M ou H (nommés pour leur poids moléculaire faible, moyen ou élevé. Ces neurofilaments sont liés par des ponts transversaux de plectine les uns aux autres et aux microtubules. Cela ajoute à la force et à l’espacement.
Les protéines des neurofilaments ajoutent au diamètre de l’axone et influencent donc sa fonction (les axones plus grands conduisent plus rapidement).
Pour plus d’informations, contactez:
Gwen Childs, Ph.D.,FAAA
Professeur et président
Département de neurobiologie et des sciences du développement
Université de l’Arkansas pour les sciences médicales
Little Rock, AR 72205
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