Cytosquelette
Filaments intermédiaires (IF) : structure et assemblage

La structure des différents types de filaments intermédiaires est commune avec quelques différences.

Ils dérivent tous d'un gène commun ancestral et sont codés à l'heure actuelle par une cinquantaine de gènes (Intermediate filaments: new proteins, some answers, more questions 1995).

Structure commune

Les filaments intermédiaires sont constitués de différentes protéines fibrillaires (environ 70) de structure de base sensiblement identiques (45 nm de long pour 2 de large). Ils sont formés :

1. d'une tige centrale - rod domain - en hélice α, constituée de :

• 4 régions (1a, 1b, 2a, 2b) formées par des répétitions d'heptades, c'est-à-dire de répétitions de 7 résidus (abcdefg) dans lesquelles a et d sont des résidus polaires hydrophobes (FADLEAK VEEAQRE V) qui forment des superhélices (coiled coil), structures protéiques découvertes d'ailleurs dans les kératines en 1952 par Francis Crick (Is alpha-Keratin a Coiled Coil?).

Les lamines nucléaires (type V) sont formées d'une tige de 352 résidus, tout comme les autres types d'IF des invertébrés : les IF cytoplasmiques des vertébrés perdront 6 heptades (42 résidus), et seront donc constitués de 310 résidus.

• 3 liens séparant les 4 régions : L1 entre 1a et 1b, L12 entre Ib et 2a, et L2 entre 2a et 2b.

L12 contient un site capsase qui permet le clivage des IF lors de l'apoptose par exemple.

Trois régions sont particulièrement conservées.

• 26 résidus dans à l'extrémité proximale de 1a (HIP : Helix Initiation Peptide) et 32 à l'extrémité terminale de 2b (HTP : helix termination peptide) sont impliquées dans la formation des dimères. Elles sont aussi sensibles aux mutations dans de nombreuses maladies génétiques.
• 4 résidus supplémentaires (defg) dans la répétition d'heptade appelée " stutter " (bégaiement en français), séquence hydrophile dépliée retrouvée au milieu du segment 2b, à la fin de la 8^ème heptade dans la vimentine (Coiled-coil intermediate filament stutter instability and molecular unfolding 2011), dont le rôle doit être précisé (flexion et dépliage ?).

2. d'une tête N-terminale non hélicale :

• Elle varie considérablement dans sa taille et sa structure en fonction des types de filaments pour leur donner leur spécificité : : par exemple, la nestine ne comporte que 6 résidus contre 167 pour la kératine K5.
• Dans la vimentine, la tête comprend un PCD (Pre-Coiled coil Domain).

3. d'une queue C-terminale non hélicale :

• 

  Comme la tête, elle varie en fonction des types de filaments : par exemple, la kératine K19 comporte 15 résidus contre 1300 pour la nestine.
• Les lamines nucléaires possèdent en plus, un signal de localisation nucléaire (NLS : Nuclear Localization Signal), séquence d'acides aminés qui cible les protéines pour leur transport vers le noyau de la cellule et un domaine IGF-like (et une box CaaX éventuellement).

Les modifications post-traductionnelles (phosphorylation et glycosylation, entre autres) de la tête et la queue joueraient un rôle important dans le remodelage des filaments intermédiaires.

Assemblages des filaments intermédiaires

Les filaments intermédiaires s'assemblent spontanément et ne nécessitent ni protéines chaperonnes, ni source énergétique comme les autres constituants du cytosquelette. Ils peuvent se présenter sous plusieurs formes (Molecular architecture of intermediate filaments 2003 et Intermediate filaments: primary determinants of cell architecture and plasticity 2009).

Le mécanisme général est le suivant.

1. Les dimères sont parallèles et dit super-enroulés, grâce aux heptades de la tige.

2. Les tétramères antiparallèles constituent l'unité de base des filaments intermédiaires, et peuvent être constitués suivant plusieurs modèles :

• deux formes d'associations décalées : A₁₁ dans laquelle les régions 1b sont à peu près alignées - comme dans la vimentine par exemple -, A₂₂ dans laquelle les régions 2b sont à peu près alignées - comme dans la vimentine par exemple -
• une forme antiparallèle bout à bout (A₂₂),
• un alignement longitudinal tête à queue (A_CN).

3. L'association latérale de 8 tétramères est appelée ULF (Unit-Lenght Filament) qui forment des unités de longueur (Near-UV Circular Dichroism Reveals Structural Transitions of Vimentin Subunits during Intermediate Filament Assembly 2009).

Ces unités se connectent tête à queue, c'est-à-dire, en prolongement les uns des autres, pour former une protofibrille de 16 nm environ de diamètre, ce qui permet leur élongation, en particulier par l'intermédiaire de phosphorylations des sérines de la tête.

La tête N-terminale régule l'assemblage des filaments, alors que la queue n'est pas indispensable et est seulement nécessaire à leur stabilité. Les phosphorylations de la queue joueraient un rôle dans les ponts entre IF et MT, le transport axonal ou leur intégration dans le maillage du cytosquelette (Role of Phosphorylation on the Structural Dynamics and Function of Types III and IV Intermediate Filaments 2008).

4. Les filaments intermédiaires sont achevés par une compaction radiale qui diminue leur diamètre entre 8 et 11 nm de diamètre environ.

Remarque : la définition des termes protofibrilles et protofilaments diffèrent selon les auteurs et les types d'IF et peuvent désigner les tétramères, leur association…

Suivant le type d'IF, le modèle général peut être modifié.

• Pour les cytokératines, les dimères sont formés obligatoirement de type I et type II (hétérodimères) alors que les autres types forment des homodimères.
• Le nombre de tétramères qui forment l'ULF peut varier (6-10 dans les kératines par exemple,
• Les lamines (type V) se polymérisent tête à queue (cf. assemblage des lamines).

En outre, selon les conditions, le nombre de tétramères peut varier : ce processus semble être important pour le remodelage du réseau.

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.

Remodelage du réseau 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