Microfilaments d'actine
Fonctions : cortex cellulaire

L'actine est une protéine essentielle dans un grand nombre de fonctions cellulaires (distribution de l'actine dans les cellules et les tissus) comme :

• l'armature des microvillosités,
• l'endocytose,

Cortex cellulaire

1. Le cortex (MSK : membrane skeleton) se différencie du cytosquelette classique par plusieurs caractéristiques.

a. Il possède une composition protéique particulière en particulier, les protéines transmembranaires (TM).

b. Il interagit avec la membrane plasmique.

c. Il joue un rôle majeur dans la dynamique cellulaire (étude biomimétique du cortex cellulaire et ses applications 2009) :

• endocytose,
• exocytose,
• pseudopodes des macrophages ( phagocyte et cytosquelette),
• résistance de la cellule au stress,
• mouvements…

2. Le cortex cellulaire, dont l'épaisseur varie de 0,5 à 2 µm, contient :

• des microfilaments d'actine formant un réseau aléatoire dont les mailles varient selon les cellules (Three-dimensional reconstruction of the membrane skeleton at the plasma membrane interface by electron tomography 2006),
• de nombreuses ABP (Actin Binding Protein) qui régulent la polymérisation de l'actine (coiffe, nucléation, fragmentation…),
• des myosines, i.e. myosine I, myosine II et myosine V, protéines contractiles qui maintiennent le cortex sous tension en exerçant une pression hydrostatique sur le cytoplasme.

3. Cette dynamique est dépendante :

a. des protéines de nucléation, i.e. complexe Arp2/3 et formine,

b. des protéines de liaison à la membrane (protéines ERM), i.e. ezrine, radixine, moésine, qui possèdent :

• un domaine C-terminal de liaison à l'actine,
• un domaine N-terminal de liaison au Pi(4,5)P2,
• des domaines de liaison aux protéines transmembranaires comme le domaine FERM de bande 4.1 (ERM proteins and merlin: integrators at the cell cortex 2002),

c. des petites GTPases de la famille Rho, i.e. Cdc42, Rac et Rhoa, qui régulent la polymérisation de l'actine ainsi que l'activité des myosines.

Dynamique du cortex d'actine

Le cytosquelette du cortex membranaire a été décrit comme un système bistable de deux réseaux d'actine-F à polymérisation active (Competition of two distinct actin networks for actin defines a bistable switch for cell polarization 2015) :

• 

  des structures ramifiées Arp2/3 qui entraînent les replis ou protrusions membranaires (ruffles),
• un maillage contractile dépendant de Rho/formine/myosine qui est étroitement apposé à la membrane plate, i.e. non froissée, et qui devrait prédominer dans les cellules peu stimulées, appelé " cytosquelette au repos ".

Exclusion mutuelle
des deux réseaux

Les deux types de réseaux ont tendance à s'exclure par deux mécanismes.

1. La compétition peut être directe, par exemple, par la séquestration de l'actine, i.e. les filaments d'actine coiffés et regroupés par la myosine II sont inaccessibles au complexe Arp2/3.

2. Des voies de signalisation mutuellement inhibitrices peuvent être activées.

a. La stimulation de ROCK (RhO-associated Coiled coil containing Kinase) s'oppose à l'activation de la ramification de l'actine par la voie Rac/WAVE/Arp2/3, en stimulant les GAP (GTPase-Activating Protein ou GTPase-Accelerating Protein) spécifiques de Rac (ROCK et régulation de l'actine).

b. Rho-GTP :

• favorise la phosphorylation et l'activation de l'ezrine (Constitutively active ezrin increases membrane tension, slows migration, and impedes endothelial transmigration of lymphocytes in vivo in mice 2011),
• s'oppose à l'activité de la cofiline, une protéine de fragmentation de filament d'actine,
• favorise la ramification médiée par Arp2/3 (Functions of cofilin in cell locomotion and invasion 2014).

3. Le fait de faire pencher la balance en faveur d'un réseau d'actine par rapport à l'autre a des effets globaux sur (Innate control of actin nucleation determines two distinct migration behaviours in dendritic cells 2016) :

• la tension membranaire par les fibres de stress,
• la morphologie cellulaire,
• la migration cellulaire.

Conséquences

1. Localement, les deux types de structures de l'actine ont des effets très différents sur la mobilité latérale des piquets transmembranaires.

• L'activation de Rhoa ou l'inactivation de la cofiline diminue leur diffusion.
• L'inhibition des formines, de l'ezrine ou de la myosine II augmente la diffusion (Toll-like receptor ligands sensitize B-cell receptor signalling by reducing actin-dependent spatial confinement of the receptor 2015 et Diffusion of GPI-anchored proteins is influenced by the activity of dynamic cortical actin 2015).

Même les molécules qui ne se lient pas au maillage à base d'actine, comme les protéines à ancre GPI (GPI-AP), localisées au feuillet exofacial de la membrane, subissent une contrainte accrue lorsque le cytosquelette est au repos, i.e. lorsque la voie Rho/formine/myosine est soutenue et s'oppose à la voie Rac/WAVE/Arp2/3 (Diffusion of GPI-anchored proteins is influenced by the activity of dynamic cortical actin 2015).

• 

  Ainsi, l'actine polymérisée par la formine fixe solidement les piquets transmembranaires en les empêchant de bouger, ce qui inhibe la diffusion des protéines membranaires non liées et même des lipides.
• La ramification de l'actine par le complexe Arp2/3 facilite la mobilité des piquets transmembranaires qui se regroupent en microclusters et prépare la cellule, par exemple pour l'endocytose.

2. Compte tenu de la nécessité pour l'actine-F de rester dynamique pendant l'internalisation, les petites GTPases de la famille Rho alternent continuellement entre les états " on " et " off ", par exemple tout au long de la phagocytose à l'aide de l'activation des GEF (Guanine nucleotide exchange factor) et de la désactivation des GAP (Regulation of phagocytosis by Rho GTPases 2014 et Phosphoinositide 3-kinase enables phagocytosis of large particles by terminating actin assembly through Rac/Cdc42 GTPase-activating proteins 2015).

Blebs (bulles)

La régulation et l'ancrage du cortex à la membrane ont étés étudiés par le procédé du blebbing, appelé aussi zeiosis.

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