Cytosquelette
Filaments intermédiaires (IF) : remodelage du réseau

Le remodelage du réseau de filaments intermédiaires diffère de celui des autres éléments du cytosquelette.

• Les filaments intermédiaires s'assemblent spontanément et ne nécessitent ni protéines chaperonnes, ni source énergétique comme les autres constituants du cytosquelette.
• Les filaments intermédiaires sont très stables par rapport aux autres éléments du cytosquelette et difficilement solubles : leur demi-vie peut durer plusieurs mois.

Les réseaux subissent tout de même des réarrangements suite à de nombreux processus :

• migration (par exemple des lymphocytes suite à leur activation) et différenciation,
• division mitotique (vimentine, lamines),
• étirement…

Vue d'ensemble

Pour l'instant, les mécanismes ne sont pas entièrement connus (Intermediate filaments assembly : dynamics to disease 2007).

• 

  On a découvert des particules non-filamenteuses et de courts filaments appelés " squiggle " (en français, ligne ondulée) qui peuvent s'incorporer dans le réseau d'IF, et ce pour tous les types. Il semblerait que ces protoéléments s'agrègent pour former les ULF (Unit-Lenght Filament).
• Ces précurseurs peuvent être fabriqués de novo ou alors sortis d'un pool, ou les deux.

En effet, les filaments intermédiaires sont des structures ouvertes à la différence des filaments d'actine ou des microtubules. En outre, selon les conditions, le nombre de tétramères peut varier.

• Pour la vimentine, le nombre standard de tétramères est de 8, c'est à dire 32 molécules.
• On peut également en trouver 48 in vivo, voire 84 molécules in vitro.
• En outre, dans un même filament, la section peut contenir plus ou moins de molécules.

Ainsi, les filaments ne s'accroissent pas seulement par leurs extrémités, mais aussi par incorporation d'ULF dans le filament même. Il en de même pour leur dissociation. Ce processus n'est pas homogène et est appelé " dynamic subunit exchange " : des ULF peuvent se détacher d'un filament et entrer dans le pool pour être incorporés à un autre filament (Direct Observation of Subunit Exchange along Mature Vimentin Intermediate Filaments 2014).

Pour la kératine, l'association des oligomères solubles (nucléation) est effectuée à la périphérie cellulaire dans le maillage d'actine ou à proximité des adhérences focales. Les particules s'accroissent (élongation) en se déplaçant vers le centre de la cellule (transport par un processus actine-dépendant) et les filaments s'incorporent au réseau existant (intégration).

Le regroupement des filaments se produit lors du transport vers le noyau (Cytoskeleton in motion: the dynamics of keratin intermediate filaments in epithelia 2011).

• Ils peuvent se solubiliser (démontage : phosphorylation ou ubiquitination) pour entrer dans un nouveau cycle à la périphérie de la cellule. Il semblerait que le montage et le démontage s'effectue en même temps, un processus étant plus intense que l'autre suivant les circonstances.
• Ils peuvent se stabiliser (maturation) pour formant par exemple la cage périnucléaire stable.

Les modifications post-traductionnelles (phosphorylation et glycosylation, entre autres) joueraient un rôle important dans ce remodelage et ont lieu sur la tête et la queue.

La phosphorylation ne peut se faire sur la tige car la superhélice inhibe l'accès des kinases (‘Heads and tails’ of intermediate filament phosphorylation: multiple sites and functional insights 2006).

Les phosphorylations et déphosphorylations (kinases et phosphatases) sont essentielles et pour la régulation dynamique des IF en modulant leurs propriétés (solubilité, conformation et organisation du filament), et pour d'autres modifications post-traductionnelles.

• Les phosphorylations sur la tête sont faites sur Ser-Arg-Ser-Xaa dans les kératines de type II, Leu-Leu-Ser/Thr-Pro-Leu sur les kératines K4-6, K8 et des cheveux, Pro-Leu-Ser-Pro sur les lamines, essentielles dans la mitose.
• Les phosphorylations de la queue sont dues aux répétitions KSP (Lys-Ser-Pro).

La phosphorylation des filaments intermédiaires provoque leur désassemblage pour former des oligomères solubles ou tétramères qui contribuent à la nature dynamique et la fonction de FI soit directement, soit par l'intermédiaire d'une interaction avec les IFAP (Intermediate Filament Associated Protein).

Les kinases sont multiples : PKC (Protein kinase C) pour les kératines, la vimentine, les neurofilaments), PKG (cGMP-dependant protein kinase) pour la vimentine, CDK2 pour la vimentine ou GFAP… les phosphatases aussi.

IFAP (Intermediate Filament Associated Protein)

Les IFAP (Intermediate Filament Associated Protein) permettent une réticulation des filaments intermédiaires.

Plakines

Les plakines, qui lient le cytosquelette aux structures membranaires, comprennent 7 membres à l'heure actuelle : la plectine, BPAG1 (Bullous Pemphigoid Antigen 1, appelé aussi dystonine), la desmoplakine, MACF1 (Microtubule–Actin Cross-linking Factor 1), l'envoplakine, la périplakine et l'épiplakine (Plakins, a Versatile Family of Cytolinkers: Roles in Skin Integrity and in Human Diseases 2014)

La plectine, protéine géante, est retrouvée dans tous les tissus, et en particulier elle fait le lien entre les filaments intermédiaires et (Plectin isoforms as organizers of intermediate filament cytoarchitecture 2011) :

• 

  les autres filaments intermédiaires, les microfilaments d'actine ou les microtubules,
• la lamina nucléaire,
• les contacts focaux et les jonctions cellulaires (desmosomes et hémidesmosomes),
• la membrane plasmique.

Dans les muscles striés, avec la desmine, elle forme des liaisons latérales entre les lignes Z voisines. Cette interaction avec la desmine semble également faciliter l'association étroite des myofibrilles et des mitochondries.

Elle joue un rôle important dans la stabilité et la migration cellulaire.

Structure de la plectine

Sa structure comporte :

1. un domaine N-terminal contenant :

• un domaine ABD (Actin-Binding Domain), formé de deux domaines CH (Calponin Homology) qui se lie à l'intégrine α6β4, à la nesprine-3 α , à l'actine F, à la dystrophine ou à la vimentine. On trouve aussi un site pour PIP2 (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate) qui régule la liaison avec l'actine et la nesprine-3 ;
• un domaine plakine (1070 résidus environ) qui régule la liaison avec les filaments intermédiaires, formés chacun de neuf répétitions de la spectrine (SR1 à SR9 de d'une centaine de résidus chacun à 3 hélices α amphipathiques - A, B et C -connectées par des boucles) et un domaine SH3 (Src-Homology 3 ) enchâssé dans SR5 (The Structure of the Plakin Domain of Plectin Reveals an Extended Rod-like Shape 2016).

Ce domaine interagit avec d'autres protéines telles que l'intégrine α6β4, le collagène de type XVII (appelé aussi BP180 ou BPAG2), le β-dystroglycane, la synémine et la kinase Fer.

2. une tige (rod domain) centrale (1250 résidus environ) qui sert à la dimérisation pour former une superhélice classique (coiled coil), homodimères parallèles et oligomères d'ordre supérieur par association latérale idéalement adaptés pour relier des protéines sur des distances relativement longues.

3. six domaines PRD (Plectine Repeat Domain ou PLEC domain de 300 résidus environ, M1 à M6et ) C-terminaux, semblable aux répétitions ankyrine - ankyrin-like repeat domains - formant un solénoïde (Plectin repeats and modules: strategic cysteines and their presumed impact on cytolinker functions 2001).

• Chaque PRD possède une région centrale comprenant des copies du module plectine (PLEC module) bien conservé, motif de 38 résidus (2 fois 19) répétés 5 fois en tandem, reliés les uns aux autres par des liens variables.
• Les domaines forment une structure tertiaire globulaire stabilisée par des ponts disulfure qui peuvent se lier comme l'extrémité N-terminale à l'intégrine β4 et au β-dystroglycane.
• Un site unique de phosphorylation sur PRD6 est ciblé par Cdk1 (Cyclin-dependent kinase 1) pendant la mitose (M-Phase-specific Phosphorylation and Structural Rearrangement of the Cytoplasmic Cross-linking Protein Plectin Involve p34cdc2 Kinase 1996). BRCA2 (BReast Cancer 2) interagit avec la plectine pour contrôler la position du centrosome (BRCA2 interacts with the cytoskeletal linker protein plectin to form a complex controlling centrosome localization 2009).

Partenaires de la plectine

Le site de liaison au filaments intermédiaires est localisé sur un site de 50 résidus entre le PRD5 et 6, qui interagit avec la vimentine, la desmine, GFAP et les cytokératines, mais aussi RACK1 (Receptor for Activated C Kinase 1) et la sous-unité γ1 de AMPK (AMP-activated protein Kinase).

De nombreux autres partenaires sont découverts : les neurofilaments 210/160/70, la lamine B, les MAP1 et 2 (Microtubule-Associated Proteins), la desmoplakine… (Plectin: A Cytolinker by Design 1999 et Role of plectin in cytoskeleton organization and dynamic 1998).

Des mutations de la plectine provoquent des plectinopathies : myodystrophie, neuropathie, épidermolyse bulleuse (The many faces of plectin and plectinopathies: pathology and mechanisms 2013).

Autres IFAP

1. Certaines IFAP sont situées dans les muscles striés :

• la syncoiline (ligne Z), partenaire de la desmine et de l'α-dystrobrévine.
• la paranémine (poulet).

2. La filaggrine (FILament AGGRegating proteIN) s’associe aux filaments intermédiaires de kératines pour façonner la couche cornée et contribuer à sa protection (épiderme).

3. La nesprine-3 est la seule nesprine à se lier indirectement aux filaments intermédiaires par le biais de la plectine (Nesprin-3: a versatile connector between the nucleus and the cytoskeleton 2011 et Nesprin interchain associations control nuclear size 2012).

Elle peut aussi se lier :

• aux microtubules par l'intermédiaire de BPAG1 (Bullous Pemphigoid Antigen 1) et MACF (Microtubule–Actin Cross-linking Factor) qui peuvent eux, se lier à l'actine pour connecter tout le cytosquelette.
• aux torsines (AAA-ATPases) présentes entre autres dans l'espace périnucléaire (TorsinA in the nuclear envelope 2004 et The role of torsinA in dystonia 2010) qui se lient à LAP1 (How lamina-associated polypeptide 1 (LAP1) activates Torsin 2014).

Les nesprine-1 et 2 se lient directement aux filaments d'actine.

Types de filaments intermédiaires

Biologie cellulaire et moléculaireMembrane plasmiqueNoyauCytoplasme
Réticulum endoplasmiqueAppareil de GolgiMitochondries
Endosomes LysosomesPeroxysomesProtéasomes
CytosqueletteMicrofilaments d'actineFilaments intermédiairesMicrotubules
Matrice extracellulaireReproduction cellulaireBiochimieTransport membranaire
Moteurs moléculairesVoies de signalisation