Constituants cellulaires
Cytosquelette : microfilaments d'actine
Protéines de sectionnement
Cofiline : rôles et régulation

Rôles de la cofiline

La cofiline est le principal régulateur du renouvellement des microfilaments d'actine grâce à son activité de sectionnement et de dépolymérisation (Cellular functions of the ADF/cofilin family at a glance 2016).

Elle participe au remodelage rapide du cytosquelette et intervient dans de nombreux processus cellulaires :

• la déramification des réseaux d'actine nucléés par le complexe Arp2/3,
• la migration, en favorisant la formation des lamellipodes et des filopodes (Functions of cofilin in cell locomotion and invasion 2013),
• le trafic vésiculaire, notamment lors des phénomènes d'endocytose et d'exocytose,
• l'expression génique, notamment par ses interactions avec l'actine nucléaire,
• l'apoptose, où la cofiline participe à plusieurs voies de signalisation induites par le stress cellulaire,
• la division cellulaire, en participant au remodelage du cytosquelette d'actine au cours de la cytokinèse,
• la polarisation cellulaire, qui contribue à l'établissement et au maintien de la polarité cellulaire,
• l'organisation du cytosquelette au cours de la morphogenèse et de la différenciation cellulaires,
• la plasticité synaptique et le développement du système nerveux.

Régulation de la cofiline de la cofiline

La cofiline est régulée par plusieurs mécanismes complémentaires qui contrôlent son activité de sectionnement des microfilaments d'actine en fonction des besoins de la cellule, à savoir :

• la phosphorylation et la déphosphorylation de la sérine 3,
• les interactions avec le PIP2 membranaire et les variations du pH intracellulaire,
• d'autres mécanismes de régulation plus spécifiques.

Phosphorylation et déphosphorylation

La phosphorylation réversible de la sérine 3 constitue le principal mécanisme de régulation de l'activité de la cofiline.

• Sous sa forme phosphorylée, la cofiline perd sa capacité à se fixer aux microfilaments d'actine, ce qui inhibe son activité de sectionnement et de dépolymérisation.
• À l'inverse, les phosphatases déphosphorylent la sérine 3 et réactivent la cofiline.

Phosphorylation

Lim kinases

Les LIM kinases (LIMK1 et LIMK2) sont les principales kinases responsables de la phosphorylation inhibitrice de la cofiline sur la sérine 3.

La phosphorylation de la Ser3 favorise la formation d'interactions électrostatiques avec les résidus Lys126 (K126) et Lys127 (K127), masquant le site de liaison de la cofiline à l'actine et inhibant ainsi son interaction avec les microfilaments d'actine.

1. LIMK1 et LIMK2, de même structure générale et présentant environ 50 % d'homologie, sont composées de (Autoregulation of the LIM kinases by their PDZ domain 2023) :

• deux domaines LIM formés, chacun, de deux motifs à doigt de zinc contigus, séparés par deux acides aminés hydrophobes servant de lien,
• un domaine PDZ,
• un domaine riche en proline,
• un domaine protéine kinase C-terminal.

LIMK2 possède un signal de localisation nucléaire (NLS) situé entre les acides aminés 491 et 503, qui permet son import dans le noyau, où elle peut également phosphoryler la cofiline nucléaire ( actine nucléaire).

2. Les LIMK sont activées par phosphorylation de leur domaine kinase, Thr508 pour LIMK1 et Thr505 pour LIMK2.

a. Cette phosphorylation est assurée pour :

• LIMK1 principalement par les kinases PAK (p21-activated kinases), elles-mêmes activées par les petites GTPases Rac1 et Cdc42,
• LIMK2 principalement par les protéines ROCK (Rho-associated coiled-coil containing protein kinases), activées par RhoA.

Remarque : d'autres petites GTPases peuvent également participer à la régulation de la cofiline selon le contexte cellulaire.

Ainsi, Rap1, de la famille des RAS, a été impliquée dans le remodelage du cytosquelette d'actine en coordonnant l'activation de la cofiline et la polymérisation de nouveaux microfilaments, notamment lors de la migration des leucocytes et de la formation des synapses immunologiques (The Rap1–cofilin-1 pathway coordinates actin reorganization and MTOC polarization at the B cell immune synapse 2017).

b. Selon le contexte cellulaire, les kinases MRCK (Myotonic dystrophy kinase-related Cdc42-binding kinases), également activées par Cdc42, peuvent phosphoryler et activer les LIMK, en particulier LIMK1 (A Tripartite Complex Containing MRCK Modulates Lamellar Actomyosin Retrograde Flow 2008).

3. Bien que leurs fonctions se chevauchent en partie, LIMK1 et LIMK2 présentent une spécialisation fonctionnelle selon le contexte cellulaire (LIM Kinases in Osteosarcoma Development 2021).

a. LIMK1 intervient principalement dans la formation des protrusions cellulaires et la migration.

b. LIMK2 participe davantage à la régulation :

• des fibres de stress,
• de la contractilité cellulaire, notamment par son action sur les protéines motrices de la famille des myosines ( protéines motrices),
• de la cytokinèse.

4. Les LIM kinases interviennent également dans la régulation des microtubules indépendamment de la cofiline (LIM Kinases, Promising but Reluctant Therapeutic Targets: Chemistry and Preclinical Validation In Vivo 2022).

• Plusieurs études indiquent qu'elles contribuent à leur stabilité et à leur renouvellement par la phosphorylation de plusieurs protéines associées aux microtubules (MAPs), bien que les mécanismes moléculaires sous-jacents restent encore incomplètement élucidés.

TESK1 et TESK2

1. Les testis-specific kinases TESK1 et TESK2 phosphorylent également la cofiline sur la sérine 3, entraînant son inactivation (Cofilin Phosphorylation by Protein Kinase Testicular Protein Kinase 1 and Its Role in Integrin-mediated Actin Reorganization and Focal Adhesion Formation 2001).

Découvertes initialement dans les testicules, les TESK jouent un rôle important au cours de la spermiogenèse où elles participent au remodelage du cytosquelette d'actine nécessaire à la différenciation des spermatides en spermatozoïdes (Broad phosphorylation mediated by testis-specific serine/threonine kinases contributes to spermiogenesis and male fertility 2023).

2. Contrairement aux LIMK, leur activation est principalement liée aux interactions cellule-matrice et aux intégrines.

Les TESK participent ainsi au remodelage local des microfilaments d'actine au niveau des adhérences focales et interviennent dans la régulation de :

• l'adhésion cellulaire,
• l'étalement (cell spreading),
• la migration cellulaire.

Déphosphorylation

La cofiline phosphorylée (cofiline-P) est déphosphorylée sur sa sérine 3 par deux phosphatases spécifiques qui restaurent sa capacité à se fixer aux microfilaments d'actine et à exercer son activité de sectionnement :

• Slingshot (SSH1, SSH2 et SSH3),
• la chronophine.

1. SSH1 est l'isoforme la mieux caractérisée des phosphatases SSH (Cofilin Signaling in the CNS Physiology and Neurodegeneration 2021).

a. Le recrutement de SSH1 sur les microfilaments d'actine favorise son activation et amplifie localement la déphosphorylation de la cofiline, notamment au bord d'attaque des cellules migratrices.

SSH1 est fréquemment surexprimée dans plusieurs cancers, où son activation favorise la migration cellulaire et la formation de métastases (The Slingshot Family of Phosphatases Mediates Rac1 Regulation of Cofilin Phosphorylation, Laminin-332 Organization, and Motility Behavior of Keratinocytes 2208).

b. Outre la sérine 3 de la cofiline phosphorylée, SSH1 déphosphoryle également LIMK1, réduisant ainsi son activité kinase (LIM kinases in cardiovascular health and disease 2024).

Elle active donc la cofiline par un double mécanisme en la déphosphorylant directement et en limitant sa phosphorylation par LIMK1.

C. SSH1 est régulée notamment par PKD1 (Protein Kinase D1), qui phosphoryle la Ser978 située dans un motif de liaison à l'actine.

• Cette phosphorylation favorise la liaison des protéines 14-3-3 à SSH1.
• Le complexe SSH1–14-3-3 ne peut plus se fixer aux microfilaments d'actine, ce qui inhibe l'activité phosphatase de SSH1 sur la cofiline.

En conséquence, la cofiline reste sous sa forme phosphorylée (inactive)

2. La chronophine (CIN), qui appartient à la superfamille des haloacid dehalogenases (HAD), complète l'action des phosphatases Slingshot en déphosphorylant la sérine 3 de la cofiline dans des contextes cellulaires où l'activité des phosphatases SSH est limitée ou soumise à une régulation différente (Chronophin, a novel HAD-type serine protein phosphatase, regulates cofilin-dependent actin dynamics 2005).

La chronophine contribue notamment au contrôle du renouvellement des microfilaments d'actine au cours de :

• la migration cellulaire (Chronophin coordinates cell leading edge dynamics by controlling active cofilin levels 2015),
• la différenciation cellulaire,
• la réponse aux stress cellulaires, en particulier lors d'une déplétion énergétique, où la dissociation de la chronophine de la protéine chaperonne Hsp90 permet sa réactivation, favorisant ainsi la déphosphorylation et l'activation de la cofiline (Chronophin Mediates an ATP-Sensing Mechanism for Cofilin Dephosphorylation and Neuronal Cofilin-Actin Rod Formation 2008).

Régulation de la cofiline par les phosphoinositides membranaires

La cofiline déphosphorylée, bien que sous sa forme active, peut être temporairement inactivée par sa liaison aux phosphoinositides membranaires, en particulier au PI(4,5)P2 ou PIP2 (Review of PIP2 in Cellular Signaling, Functions and Diseases 2020).

1. Cette interaction séquestre la cofiline à la membrane plasmique et l'empêche de se fixer aux microfilaments d'actine (figure A)

La liaison de la cofiline au PIP2 met en jeu plusieurs résidus répartis sur sa surface, dont His133 qui joue un rôle important dans la modulation de l'affinité de la cofiline pour le PIP2 en fonction du pH intracellulaire (ADF/Cofilin Binds Phosphoinositides in a Multivalent Manner to Act as a PIP2-Density Sensor 2010).

• En réponse à des signaux favorisant la migration cellulaire, l'activation locale de NHE1 (Na⁺/H⁺ exchanger 1) augmente le pH intracellulaire au bord d'attaque, ce qui diminue l'affinité de la cofiline pour le PIP2 et favorise sa libération de la membrane, permettant son recrutement sur les microfilaments d'actine.
• NHE1 est associé au cortex d'actine par l'intermédiaire de protéines adaptatrices, notamment les protéines de liaison à la membrane, comme les protéines ERM (Ezrine, Radixine, Moésine), qui assurent son ancrage à la membrane plasmique et son couplage au cytosquelette d'actine.

2. L'activation de la PLC (phospholipase C) par différents récepteurs membranaires hydrolyse le PIP2 (figure B)

Cette hydrolyse produit de l'IP3 (inositol 1,4,5-trisphosphate) et du diacylglycérol (DAG), entraînant la libération locale de la cofiline, qui peut alors se fixer aux microfilaments d'actine (Mapping the Phosphoinositide-Binding Site on Chick Cofilin Explains How PIP2 Regulates the Cofilin-Actin Interaction).

Remarque : PIP2 peut être également phosphorylé par les phosphoinositide 3-kinases (PI3K) en PI(3,4,5)P3 ou PIP3 selon le contexte cellulaire .

3. Les mêmes récepteurs activent simultanément les voies de signalisation dépendantes des petites GTPases de la famille Rho (figure C).

L'activation de Rac1 entraîne :

• celle des kinases PAK (figure D),
• puis celle des LIM kinases, qui phosphorylent localement la cofiline sur la sérine 3 et l'inactivent (figure E).

4. La cofiline phosphorylée participe également à d'autres voies de signalisation membranaires.

Elle active notamment la phospholipase D1 (PLD1), qui produit de l'acide lysophosphatidique (LPA), un glycérophospholipides impliqué dans plusieurs voies de signalisation intracellulaire (figure F).

5. La phosphatase chronophine (CIN) est recrutée au front de migration cellulaire (figure G), notamment par Rac1 et par la phosphoinositide 3-kinases (PI3K), contribuant à la réactivation locale de la cofiline.

6. La libération locale de la cofiline constitue l'un des premiers événements du remodelage des microfilaments d'actine conduisant à la formation des protrusions membranaires et participe à l'orientation de la migration cellulaire.

Autres mécanismes de régulation

D'autres mécanismes contribuent à moduler l'activité de la cofiline selon le contexte cellulaire (ADF/Cofilin: A Functional Node in Cell Biology 2010).

1. La phosphorylation de Tyr68 favorise l'ubiquitination, puis la dégradation de la cofiline par le protéasome 26S (Tyrosine phosphorylation of cofilin at Y68 by v-src leads to its degradation through ubiquitin-proteasome pathway 2009).

2. L'oxydation, notamment lors d'un stress oxydant lié aux espèces réactives de l'oxygène (ROS), induit la formation de ponts disulfure intramoléculaires (Cys39-Cys80) ou intermoléculaires selon le contexte.

Ces modifications conformationnelles inhibent l'activité de sectionnement de la cofiline, sans empêcher sa liaison aux microfilaments d'actine, et peuvent favoriser sa translocation vers les mitochondries (Cofilin(s) and Mitochondria: Function Beyond Actin Dynamics 2025).

3. Les interactions avec d'autres protéines, notamment la tropomyosine et la cortactine, modulent également l'activité de la cofiline selon le contexte cellulaire.

La cortactine joue notamment un rôle important dans la régulation locale de la cofiline au niveau des invadopodes (régulation de la cofiline par la cortactine).

Gelsoline : autre protéine de sectionnement