La biochimie de l’actine

 Généralités 

L’actine est une protéine constituée d’une chaîne polypeptidique de 375 acides aminés et possède un poids moléculaire de 42 kDa. Elle a été découverte par Straub en 1942 dans les fibres musculaires puis, elle a été identifiée dans les années 60 comme étant l’une des protéines les plus abondantes du cytosquelette des cellules eucaryotes. L’actine existe sous forme globulaire à l’état de monomère et est appellée actine-G. Ces monomères polymérisent sous forme de filaments appelés actine-F (FIG 2.1). L’analyse de la structure cristalline de l’actine aux rayons X montre la présence de deux lobes divisés en deux sous-domaines (Kabsch et al., 1990). La jonction entre ces quatre sousdomaines forme une crevasse dans laquelle réside un cation divalent calcium ou magnésium et un nucléotide ATP ou ADP. Ce complexe, lié par des liaisons ioniques au monomère, est indispensable à sa stabilité et permet d’éviter toute dénaturation (Valentin-Ranc et Car lier, 1991). La polymérisation des monomères conduit à la formation d’un filament d’actine hélicoïdal par enroulement de deux filaments (Moore et al., 1970).

Polarité du filament et concentration critique

Chaque monomère d’actine possède une structure asymétrique et l’empilement successif des sous-unités conduit à la formation d’un filament polaire avec des extrémités structurellement différentes. Cette asymétrie engendre une différence des constantes cinétiques entre les deux extrémités et on distingue l’extrémité « barbée» qui polymérise plus rapidement que l’extrémité « pointue » (Pollard et Mooseker, 1981; Pollard, 1986).

Hydrolyse de l’ATP

Une fois le monomère incorporé dans le filament, le nucléotide ATP s’hydrolyse entraînant la formation du complexe ADP-Pi, puis après dissociation du phosphate inerte Pi conduit à la forme ADP. Ainsi, les sous-unités d’actine à l’intérieur d’un filament évoluent toutes d’un état ATP vers un état ADP comme le montre le schéma 2 de la figure 2.2. Bien que la vitesse d’hydrolyse de l’ATP et de dissociation du phosphate soient connus (TAB 2.1), le mécanisme par lequel se fait l’hydrolyse est à l’heure actuelle débattu. Deux modèles sont proposés. Le premier modèle propose une hydrolyse aléatoire du nucléotide et indépendante de la forme ATP ou ADP des sous-unités voisines (Pollard et Weeds, 1984). À l’inverse, le second modèle est dit vectoriel (Carlier et al., 1987) et l’hydrolyse a lieu à l’interface des parties ATP et ADP.

Considérons un filament sous une forme T. Après hydrolyse de toutes les sous-unités, le filament se trouve sous une forme D. L’énergie dissipée au moment de la dissociation de chaque phosphate inerte rend la forme D du filament moins stable que sous sa forme initiale T. Par conséquent, la concentration critique pour le filament D est plus grande que pour le filament T tel que CTc < CDc .

Le treadmilling ou tapis roulant

La polarité du filament entraîne des différences cinétiques et on différencie les constantes d’association et de dissociation différentes à l’extrémité barbée et à l’extrémité pointue. L’hydrolyse de l’ATP oblige à considérer le filaments sous deux états différents : une forme T et D qui se distingue par leur concentration critique différente. Comparons à présent la vitesse d’insertion des monomères à la vitesse d’hydrolyse de l’ATP aux deux extrémités.

Les protéines régulatrices 

Les protéines régulatrices de l’actine ou Actin Binding Proteins (ABP) se couplent à l’actine aussi bien sous sa forme F que sous sa forme G. Ces protéines sont impliquées dans des fonctions aussi diverses que la consolidation des filaments, la régulation du taux de polymérisation, la formation de faisceaux de filaments ou encore l’ancrage des filaments à la membrane plasmique. Aujourd’hui plus d’une centaine d’ABP sont connues et une recherche active permet d’en découvrir de nouvelles comme Spire et Cordon-bleu. On ne présente ici que les principales découvertes à ce jour et qui un ont été reconnues pour avoir un rôle primordial dans la régulation du cytosquelette :
• les ABP de l’actine-G,
• les protéines nucléatrices,
• les protéines de coiffe,
• les protéines de dépolymérisation,
• les protéines réticulantes.

Les ABP de l’actine-G

Dans la cellule, la concentration cellulaire d’actine est comprise entre 50 et 100 µM. À ces concentrations, l’actine doit normalement polymériser. En réalité, elle est «séquestrée » par des protéines comme la thymosine-β4 qui, liée au monomère, inhibe la formation de filaments. La profiline, autre protéine de l’actine-G, complexe préférentiellement l’actine ATP et l’assemblage actine-profiline s’incorpore aux filaments à l’extrémité barbée. Paradoxalement, cette protéine entraîne deux processus opposés dans la régulation de l’actine. D’une part, elle abaisse la concentration critique entraînant une augmentation de la polymérisation à l’extrémité barbée ; d’autre part, ses fonctions séquestrantes maintiennent les monomères libres lorsque les extrémités barbées sont cappées, c’est à dire bloquées. Une fois le monomère inséré dans le filament, la profiline se détache selon un mécanisme fortement discuté. Son détachement pourrait être provoqué par l’hydrolyse du nucléotide (Pantaloni et Carlier, 1993) ; à l’inverse, elle pourrait se décrocher suite à un changement conformationnel de l’actine sans aucune corrélation avec l’hydrolyse de l’ATP (Blanchoin et Pollard, 2002).

Les protéines nucléatrices

Une nouvelle extrémité barbée conduisant à la formation d’un nouveau filament ne peut s’effectuer de manière spontanée puisque l’ensemble du réservoir monomérique est séquestré. La formation d’un nouveau filament peut être obtenu soit par dégagement d’un extrémité cappée par perte de la protéine de coiffe, soit par fragmentation d’un filament déjà existant ou bien par la nucléation d’un nouveau filament grâce aux protéines nucléatrices.

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Table des matières

1 Introduction générale
I De la biochimie de l’actine à la force générée par sa polymérisation
2 La biochimie de l’actine
2.1 Généralités
2.2 Polarité du filament et concentration critique
2.3 Hydrolyse de l’ATP
2.4 Le treadmilling ou tapis roulant
2.5 Les protéines régulatrices
2.5.1 Les ABP de l’actine-G
2.5.2 Les protéines nucléatrices
2.5.3 Les protéines de coiffe
2.5.4 Les protéines de dépolymérisation
2.5.5 Les protéines réticulantes
3 Forces mécaniques dans les sytèmes biologiques
3.1 La motilité cellulaire
3.2 La listeria monocytogenes et autres pathogènes
3.3 Sereocilia et la réaction acrosomienne
4 La polymérisation comme moteur
4.1 Propriétés mécaniques et élastiques des filaments d’actine
4.1.1 Étude d’un filament
4.1.1.1 Fluctuations thermiques et courbure d’un filament
4.1.1.2 La force de flambement ou force de buckling
4.1.2 Étude d’un gel d’actine
4.1.2.1 Mesures rhéologiques
4.1.2.2 Mesures élastiques sur des systèmes biomimétiques
4.2 Profil force-vitesse
4.2.1 Modèles théoriques
4.2.1.1 Approche thermodynamique : cas d’un filament
4.2.1.2 Le modèle du Brownian Ratchet
4.2.2 Mesures expérimentales à l’échelle de quelques filaments
4.2.2.1 Estimation de la stalling force
4.2.2.2 Profil force-vitesse d’un microtubule
4.2.2.3 Stalling force de quelques filaments d’actine
4.2.3 Mesures expérimentales sur des sytèmes macroscopiques
4.2.3.1 Profil force-vitesse de gels d’actine
II Des colloïdes magnétiques à la mesure de force
5 Les particules superparamagnétiques
5.1 Introduction
5.2 Fabrication
5.3 Calcul de la force magnétique
5.3.1 Modèle de Zhang et Widom
5.3.2 La susceptibilité magnétique
6 Mesure des forces colloïdales
6.1 Techniques de mesure de forces
6.2 La machine de force magnétique
6.2.1 Principe de la technique
6.3 La machine de force par imagerie optique
6.3.1 Passage à la mesure par vidéomicroscopie
6.3.2 Dispositif expérimental
6.3.3 Principe de la mesure force-distance
6.3.3.1 Analyse des images
6.3.3.2 Longueurs des chaînes
6.3.3.3 Automatisation de la mesure
6.3.4 Stabilité colloïdale
6.3.5 Résolution de la mesure
6.3.6 Profils électrostatiques
6.3.7 Fluctuation thermique : dilatation thermique d’une chaîne à 1D
6.3.8 Valeur absolue de la force
7 Conclusion générale

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