Constituants cellulaires
Cytosquelette : microfilaments d'actine
Protéines de nucléation
Vue d'ensemble et formines

Vue d'ensemble de la nucléation

La nucléation correspond à la formation d'un noyau stable de quelques monomères d'actine G, généralement un trimère, constituant l'étape limitante de la polymérisation spontanée des microfilaments d'actine in vitro.

Les protéines de nucléation permettent de franchir cette barrière énergétique en stabilisant un noyau de polymérisation et constituent les principaux régulateurs de l'initiation de l'assemblage des microfilaments d'actine (Actin Nucleation 2014).

1. Les protéines de nucléation ou protéines amorces, constituent une famille de protéines de liaison à l'actine (ABP ou Actin Binding Proteins) dont on connait actuellement trois grandes familles (A Nucleator Arms Race: Cellular Control of Actin Assembly 2010) :

• celle des formines, responsables de la nucléation et de l'élongation des longs microfilaments d'actine linéaires (fibres de stress, anneaux contractiles…),
• celle du complexe Arp2/3, responsable de la formation de réseaux de microfilaments d'actine ramifiés (lamellipodes, bord frontal des cellules migratrices…),
• celle des protéines à domaines WH2 multiples (tandem-monomer-binding nucleators), telles que Spire, Cordon-Bleu (COBL) et les léiomodines.

Remarque : certaines ABP multifonctionnelles qui ne constituent pas des nucléateurs spécialisés peuvent également favoriser la nucléation des microfilaments d'actine.

C'est notamment le cas de la villine, protéine de la famille de la gelsoline qui possède également des activités de réticulation, de coiffage et de sectionnement.

2. Les autres familles de protéines de liaison à l'actine comprennent :

• des protéines de séquestration qui séquestrent les monomères d'actine G et régulent leur disponibilité pour la polymérisation (thymosine β4, profiline, CAP1 et CAP2 (Cyclase-associated proteins), twinfiline, DNase I…),
• des protéines d’élongation qui favorisent l’ajout de monomères d’actine G à l’extrémité (+) et accompagnent la croissance du microfilament (formines, Ena/VASP, …),
• des protéines de coiffage qui se fixent aux extrémités (+) ou (-) et contrôlent les échanges de monomères (CapZ, gelsoline, twinfiline, tropomoduline…),
• des protéines de sectionnement et de dépolymérisation qui fragmentent les microfilaments et favorisent leur renouvellement (cofiline, gelsoline…),
• des protéines de stabilisation qui limitent la dépolymérisation et stabilisent certains réseaux d'actine (tropomyosines, cortactine…),
• des protéines de réticulation qui relient plusieurs microfilaments afin de former des faisceaux ou des réseaux tridimensionnels (plastines (fimbrines), fascines, villine, espine, α-actinine, filamine…),
• des protéines motrices, les myosines, qui utilisent les microfilaments d'actine comme rails moléculaires pour produire des forces et des mouvements cellulaires,
• des protéines assurant la liaison entre les microfilaments d'actine et la membrane plasmique, comme les protéines ERM (Ezrine, Radixine, Moésine), les spectrines et la dystrophine.

L'ankyrine participe également à ces complexes d'ancrage par son interaction avec les spectrines et diverses protéines membranaires, mais sans se lier directement aux microfilaments d'actine.

Remarque : certaines ABP sont dites multifonctionnelles car elles participent à plusieurs mécanismes.

Par exemple les formines, classées dans les protéines de nucléation, peuvent aussi participer au coiffage de l'extrémité barbée (+) et à l'élongation.

3. Les réseaux de microfilaments d'actine présentent une organisation spatiale et temporelle très dynamique (Actin Nucleation and Elongation Factors: Mechanisms and Interplay 2009).

La localisation et l'activation des différentes protéines de nucléation contribuent à la formation de réseaux de microfilaments d'actine spécialisés, dont l'organisation est étroitement régulée en fonction des besoins de la cellule.

Ces réseaux comprennent notamment :

• le cortex cellulaire,
• les lamellipodes et les filopodes,
• les fibres de stress,
• l'anneau contractile.

Formines

Classification des formines

La famille des formines constitue un vaste groupe de protéines multidomaines, représenté par plus de 1 000 protéines réparties chez les eucaryotes (Formins in Human Disease 2023).

1. Elles interviennent dans de nombreuses voies de signalisation, notamment celles faisant intervenir les petites GTPases de la famille Rho, et interagissent avec les deux principaux systèmes du cytosquelette :

• les microfilaments d'actine,
• les microtubules.

2. Chez l'homme, on compte 15 formines réparties en sept sous-familles, elles-mêmes regroupées en trois grands groupes phylogénétiques, dont les principales caractéristiques structurales sont résumées dans le tableau (Origins and Evolution of the Formin Multigene Family That Is Involved in the Formation of Actin Filaments 2008).

Cette classification phylogénétique reste largement utilisée, bien que les publications récentes décrivent le plus souvent directement les sept sous-familles.

a. Le groupe I comprend :

• FMNL (Formin-Like), anciennement FRL, Formin-Related gene in Leukocytes), FMNL1, FMNL2 et FMNL3, principalement impliquées dans la migration cellulaire, les filopodes et les invadopodes,
• Daam (Dishevelled-Associated Activator of Morphogenesis), DAAM1 et DAAM2, impliquées notamment dans la polarité cellulaire, la voie Wnt non canonique et le développement,
• Dia (Diaphanous), mDia1, mDia2 et mDia3, formines les plus étudiées chez les vertébrés et principales formines impliquées dans la nucléation et l'élongation des microfilaments d'actine ainsi que dans les interactions avec les microtubules,
• INF (Inverted Formin), INF1 et INF2, impliquées dans les interactions actine-microtubules et, pour INF2, dans la fission mitochondriale,
• Delphilin (GRID2IP ou Glutamate Receptor Ionotropic Delta 2 Interacting Protein), principalement exprimée dans les neurones du cervelet.

b. Le groupe II est constitué uniquement des FMN (Formin), qui correspondent aux formines au sens historique du terme, FMN1 et FMN2, principalement impliquées dans le développement embryonnaire et neuronal.

c. Le groupe III ne comporte que les formines FHOD (Formin Homology Domain-containing protein), FHOD1 et FHOD3, impliquées dans l'organisation des fibres de stress et des structures contractiles d'actomyosine.

Structure

Les formines sont des protéines multidomaines dont l'organisation est largement conservée au cours de l'évolution. qui possèdent toutes (Formin’ cellular structures 2014) :

• un domaine FH1 (Formin Homology 1),
• un domaine FH2 (Formin Homology 2),
• une région N-terminale, anciennement regroupée sous le terme de domaine FH3 (Formin Homology 3), comprend plusieurs domaines régulateurs impliqués dans leur activation et leur auto-inhibition.

FH1

1. FH1, constitué de multiples motifs riches en proline (PRD), est un domaine dont la longueur varie selon les différentes formines.

Peu structuré, il est souvent représenté comme une région flexible reliant les autres domaines de la protéine.

2. FH1 interagit avec un grand nombre de protéines :

• la profiline,
• des protéines possédant un domaine SH3 (Src homology 3) présentes dans de nombreuses protéines des voies de signalisation, notamment celles impliquées dans les voies des petites GTPases de la famille Rho,
• des protéines possédant un domaine WW.

FH2

FH2 est un domaine d'environ 400 acides aminés, majoritairement constitué d'hélices α, qui s'associe au domaine FH2 d'une seconde formine pour former un dimère en anneau (ou complexe torique) capable de nucléer et d'accompagner l'élongation des microfilaments d'actine (Crystal Structures of a Formin Homology-2 Domain Reveal a Tethered Dimer Architecture 2004).

1. Le domaine FH2 comprend cinq sous-domaines (Structure of the FMNL3 FH2/actin complex provides insight into formin-mediated actin nucleation and elongation 2013) :

• un " lasso " N-terminal,
• un lien, i.e. " linker ", de 17 résidus,
• un subdomaine globulaire en bouton, i.e " knob ",
• un domaine coiled-coil (superhélice α),
• un sous-domaine " post " C-terminal.

2. Le dimère FH2 reste associé à l'extrémité barbée (+) du microfilament d'actine en croissance et en accompagne l'élongation de manière processive, tout en permettant l'incorporation successive de nouveaux monomères d'actine G.

Le dimère formé par les domaines FH2 participe également à la stabilisation et à l'orientation des microtubules lors de la migration et de la division cellulaires (Formins and Microtubules 2010).

Remarque : certaines formines inversées, comme INF2 (INverted Formin 2), présentent une organisation particulière de leurs domaines FH1 et FH2, dont l'ordre est inversé par rapport aux autres formines.

Localisée principalement au niveau du réticulum endoplasmique (RE), INF2 intervient notamment dans la dynamique du réticulum endoplasmique, les contacts entre le réticulum endoplasmique et les mitochondries, ainsi que dans la fission mitochondriale.

Région N-terminale régulatrice

Anciennement regroupés sous le terme de domaine FH3 (Formin Homology 3), plusieurs domaines régulateurs participent à l'activation, à la dimérisation et à l'auto-inhibition des formines (The Human Formin FHOD1 Contains a Bipartite Structure of FH3 and GTPase-Binding Domains Required for Activation 2008).

1. La région N-terminale comprend notamment :

• un domaine GBD (GTPase-Binding Domain), anciennement RBD (Rho Binding Domain) qui se lie aux petites GTPases de la famille Rho,

• 

  un domaine DID (Diaphanous Inhibitory Domain), reconnu par DAD,

Dans le cas de mDia1 (Diaphanous-related formin 1), protéine de nucléation des mammifères, ce domaine est formé de quatre répétitions armadillo.

• un domaine DD (Dimerization Domain) impliqué dans la dimérisation des formines,
• un domaine CC (coiled-coil), formant une région en superhélice α.

2. Le domaine DAD (Diaphanous Autoregulatory Domain), absent chez certaines formines, est situé dans la région C-terminale où il interagit avec le domaine DID N-terminal (Structure of the Autoinhibitory Switch in Formin mDia1 2005).

Remarque : plusieurs études suggèrent que, chez certaines formines comme mDia1, le domaine DAD pourrait contribuer à l'activité de nucléation et d'élongation assurée principalement par les domaines FH1 et FH2.

DAD se lie à des monomères d'actine et cette activité, distincte de son rôle dans l'auto-inhibition, semble intervenir lors de la nucléation, mais pas au cours de l'élongation du microfilament.

3. Les formines peuvent adopter deux conformations principales (Structure and activity of full-length formin mDia1 2013) :

• une forme autoinhibée, repliée sur elle-même par l'interaction entre le domaine DAD C-terminal et le domaine DID N-terminal,
• une forme activée, déployée après la fixation d'une petite GTPase de la famille Rho sur le domaine GBD, libérant ainsi les domaines FH1 et FH2, qui assurent alors la nucléation et l'élongation des microfilaments d'actine

Interactions des formines

Les formines interagissent avec de nombreuses protéines impliquées dans la régulation de leur activité et de la dynamique du cytosquelette ( tableau) :

• des protéines de signalisation,
• des protéines de liaison à l'actine (ABP),
• des protéines associées aux microtubules (MAP)
• divers régulateurs du trafic intracellulaire.

Mécanismes d'action et fonctions biologiques des formines