Structure et organisation des microfilaments dans les cardiomyocytes

STRUCTURE ET ORGANISATION DES MICROFILAMENTS DANS LES CARDIOMYOCYTES

Structure et organisation générale des microfilaments

L’actine est une petite protéine globulaire (43 kDa) de 10 nm de long et de 5 nm de large hautement conservée parmi les espèces animales tout au long de l’évolution. L’actine est présente dans toutes les cellules eucaryotes (7) ; c’est la protéine la plus abondante du corps humain. L’actine monomérique, globulaire (actine G), est stockée dans les différents compartiments cellulaires et permet la formation de polymères filamenteux polarisés en double hélice alpha de 8 nm (7-9 nm) de diamètre. Les microfilaments sont très dynamiques et peuvent se polymériser ou se dépolymériser en quelques minutes. L’actine est capable de fixer et d’hydrolyser l’ATP. La liaison de l’actine à l’ATP stabilise la forme filamentaire alors que la liaison à l’ADP la déstabilise (8).

La première étape de la synthèse d’un microfilament est la nucléation. Il s’agit de l’association de 3 monomères d’actine qui crée un point de départ indispensable au démarrage de la polymérisation et à l’élongation des microfilaments. L’actine filamenteuse (actine F) se polymérise essentiellement par l’extrémité barbue chargée positivement. L’extrémité barbue incorpore préférentiellement des monomères d’actine fixant une molécule d’ATP. Au fur et à mesure que le filament s’allonge, les molécules d’actine hydrolysent l’ATP et libèrent un ion phosphate. Les molécules d’actine fixant de l’ADP se détachent du microfilament par l’extrémité pointue (9). Les monomères d’actine libre échangent l’ADP contre une molécule d’ATP, ce qui permet leur nouvelle incorporation dans un filament. Ce phénomène de polymérisationdépolymérisation orienté par l’hydrolyse de l’ATP est appelé « tapis roulant de l’actine » (10) (Figure 6). Une fois l’actine polymérisée, l’actine F crée un réseau intracellulaire en fixant les structures adjacentes. Des branches collatérales d’actine F se connectent entre elles : c’est la réticulation. Les microfilaments se fixent également à des protéines de liaison et ancrent ainsi le réseau d’actine F au reste du cytosquelette, aux membranes des organites et à la membrane plasmique.

Six gènes différents permettent la synthèse de six isomères d’actine chez les mammifères. Les six isoformes d’actine sont groupées en trois classes alpha, beta et gamma selon leurs propriétés migratoires sur gel d’électrophorèse (11). Les isoformes alpha-squelettique, alpha-cardiaque, alpha-musculaire lisse et gamma-musculaire lisse sont exprimées majoritairement dans les cellules musculaires squelettiques, cardiaques et lisses. Les isoformes cytoplasmique béta et gamma sont ubiquitaires (Tableau 2). Les différents isomères d’actine ont des structures protéiques très proches avec plus de 90% d’homologie (12,13). Malgré une grande homologie des structures protéiques les isomères ne sont pas interchangeables. Les actines musculaires ne peuvent remplacer les isoformes cytoplasmiques et de la même manière les actines cytoplasmiques ne peuvent assurer pleinement les fonctions des isomères musculaires (7).

L’implication de l’actine dans la physiologie cellulaire nécessite l’intervention de protéines de liaison de l’actine. Certaines protéines de liaison régulent l’état de polymérisation de l’actine alors que d’autres sont responsables des connexions intracellulaires. Les myosines sont des protéines de liaison particulières qui génèrent des mouvements, ce sont des moteurs moléculaires. Les myosines transforment l’énergie chimique de l’ATP en énergie cinétique. Plus de 70 familles de protéines de liaison de l’actine et 17 classes de myosines sont connues et permettent une régulation fine et adaptée du réseau d’actine et des déplacements de la myosine le long de ce réseau (14). Les différentes isoformes d’actine, de protéines de liaison et de myosine contribuent à la diversité et à la spécialisation des fonctions des microfilaments. Les filaments d’actine, les protéines de liaisons et les myosines sont essentiels à un grand nombre de fonctions cellulaires comme la mitose, la migration, la formation des jonctions intercellulaires, la régulation transcriptionnelle, le transport des organites, le transport des vésicules intracellulaires et la régulation de la forme des cellules.

In vitro, la nucléation est l’étape limitante de la formation de microfilaments d’actine. Le complexe des protéines de liaison de l’actine 2 et 3 (Arp2/3 ; Actin related protéins 2/3) permet la nucléation de l’actine G. Cette nucléation permet la polymérisation rapide des filaments par l’extrémité barbue positive. De plus l’Arp2/3 coiffe l’extrémité pointue de l’actine et inhibe le désassemblage des microfilaments par l’extrémité pointue négative (8,15). Lorsque la nucléation de l’actine est suffisante, la polymérisation dépend de la disponibilité de l’actine libre. L’actineG doit être liée à l’ATP pour être incorporée dans les microfilaments. Des protéines comme la profiline permettent l’échange d’une molécule d’ADP contre une molécule d’ATP. L’actine-G liée à l’ATP et fixée à la profiline est immédiatement disponible pour être incorporée aux processus de nucléation et de polymérisation en cours (8). Certaines protéines de liaison se fixent aux extrémités des microfilaments et bloquent à la fois leur polymérisation et leur dépolymérisation. La protéine Cap Z stabilise l’extrémité barbue des filaments, alors que la tropomoduline stabilise l’extrémité pointue. Des protéines stabilisatrices se fixent le long de l’actine-F et protègent les filaments de la dépolymérisation. Les principales protéines stabilisatrices du corps des microfilaments sont la tropomyosine, la nébulette et la nébuline (8). Certaines molécules comme les protéines de choc thermique réparent les molécules d’actine dénaturées et favorisent leur recyclage lorsque la réparation est impossible (16).

Les microfilaments s’organisent de manière parallèle en faisceaux ou de manière perpendiculaire en réseau sous l’influence de nombreuses protéines de régulation (17). La fimbrine et l’alpha-actinine favorisent un agencement parallèle en faisceaux. L’Arp2/3, la filamine et la spectrine favorisent un agencement perpendiculaire en réseau. L’ancrage des microfilaments aux membranes et aux autres éléments du cytosquelette dépend principalement de la dystrophine, de la taline, de la vinculine et de la plectine. La dystrophine connecte l’actine F au sarcolemme latéral. La taline et la vinculine fixent les microfilaments à la membrane latérale et aux disques intercalaires. La plectine, attache les microfilaments à la fois aux microtubules et aux filaments intermédiaires. L’émerine et le complexe SUN-nesprine amarrent les microfilaments à la membrane nucléaire externe (1).

Certaines protéines comme la cofiline (18) et la gelsoline (19) coiffent l’extrémité barbue de l’actine. Elles stoppent l’addition de nouveaux monomères, clivent et dépolymérisent les microfilaments. La cofiline et la gelsoline provoquent la dépolymérisation des microfilaments qui ne sont pas protégés par des protéines stabilisatrices. Ces protéines permettent la destruction des filaments dénaturés et favorisent ainsi le renouvellement du réseau (Tableau 3).

Des agents pharmacologiques comme la cytochalasine-D (16), la latrunculine-A (20), la swinholidine A (21), la toxine C2 du Clostridium botulinum (22), la transférase du Clostridium difficile et la toxine iota du Clostridium perfringens (23) dépolymérisent les microfilaments. A l’inverse, la phalloidine (24), le jasplakinolide (25) et la toxine du Photorhabdus luminescent (23) favorisent la polymérisation de l’actine.

Bien que l’effet « tapis roulant » de l’actine puisse entrainer certains déplacements moléculaires, une grande majorité des mouvements le long des microfilaments sont produits par les myosines (14) (Tableau 3). A partir de l’énergie chimique issue de l’hydrolyse de l’ATP, les myosines fournissent de l’énergie cinétique qui permet leurs déplacements le long de l’actine F. Dans la très grande majorité des cas le déplacement des myosines se fait en direction de l’extrémité barbue des microfilaments (10). Nous connaissons environ 140 isoformes de myosine, regroupées en 17 classes (26). Le génome humain contient 40 gènes de myosine qui peuvent être regroupés en 12 classes différentes. Les myosines de type II (musculaires ou non) autrement dénommées myosines conventionnelles, sont génératrices de contractions cellulaires et de tensions intracellulaires. L’être humain possède 15 gènes de myosines conventionnelles dont 6 myosines musculaires squelettiques, 2 myosines cardiaques et une myosine musculaire lisse. Les myosines non conventionnelles sont essentiellement impliquées dans les mouvements des organites et le transport des membranes. L’être humain possède 25 gènes de myosines non conventionnelles.

Organisation des microfilaments dans les cardiomyocytes

L’actine représente 20% des protéines des cardiomyocytes. Seules les isoformes d’actine alphacardiaque, alpha-squelettique, béta et gamma-cytoplasmiques sont exprimées de manière significative dans les cardiomyocytes humains adultes (7). Les isoformes musculaires de l’actine prédominent et représentent environ 80% de l’actine totale. L’actine alpha-cardiaque prédomine et représente environ 80% des isoformes musculaires dans le myocarde humain (12). Les cœurs de souris expriment quasi exclusivement l’actine alpha-cardiaque en situation physiologique. Quelques rares souris comme les Balb/c ou les DBA ont une expression plus élevée d’actine alpha-squelettique. Chez les Balb/c, l’expression myocardique d’actine alpha-squelettique peut représenter 25 à 54 % de l’actine musculaire totale (29). En microscopie, l’appareil contractile des cardiomyocytes est marqué par de nombreuses stries transversales. Les stries transversales sont dues à l’assemblage en série des unités contractiles des myofibrilles : les sarcomères. Chaque sarcomère est constitué de filaments fins, de filaments épais et de nombreuses protéines associées (Figures 7). Les filaments fins sont des filaments d’actine alpha-cardiaque ou alpha-squelettique (30,31). Les filaments épais sont composés de myosine de type II musculaire (32) (Figure 8). C’est le glissement des filaments fins le long des filaments épais qui crée le mouvement essentiel à la contraction des cardiomyocytes. L’affinité particulière des isoformes d’actine alpha vis-à-vis des protéines de stabilisation confère aux myofilaments fins une grande stabilité dans le temps. Ils sont renouvelés tous les 10 jours (33). Les 4 principales protéines qui stabilisent les myofilaments fins dans les cardiomyocytes sont la tropomyosine, la nébulette, la cap-Z et la tropomoduline (3). La principale protéine de fixation des filaments fins entre eux et au reste du cytosquelette est l’alpha-actinine.

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Table des matières

INTRODUCTION
I. STRUCTURE ET ORGANISATION DU CYTOSQUELETTE DANS LES CARDIOMYOCYTES.
I.1. Structure et organisation des microfilaments dans les cardiomyocytes.
I.1.a. Structure et organisation générale des microfilaments.
I.1.b. Organisation des microfilaments dans les cardiomyocytes.
I.2. Structure et organisation des microtubules dans les cardiomyocytes.
I.2.a. Structure et organisation générale des microtubules.
I.2.b. Organisation des microtubules dans les cardiomyocytes.
I.3. Structure et organisation des filaments intermédiaires dans les cardiomyocytes.
I.3.a. Structure et organisation générale des filaments intermédiaires.
I.3.b. Organisation des filaments intermédiaires dans les cardiomyocytes.
II. IMPLICATION DU CYTOSQUELETTE DANS LA PHYSIOLOGIE DU MYOCARDE.
II.1. Organisation et fonction des myofilaments.
II.2. Systèmes de mécanotransmission intramyofibrillaire.
II.3. Systèmes de mécanotransmission extramyofibrillaire.
II.4. Implication du cytosquelette dans le couplage excitation-contraction-respiration des cardiomyocytes.
II.4.a. Implication du cytosquelette dans le couplage excitation-contraction.
II.4.b. Implication du cytosquelette dans la respiration mitochondriale et la production énergétique.
II.4.c. Implication du cytosquelette dans le couplage excitation-respiration.
II.5. Systèmes de nettoyage et de recyclage du cytosquelette dans les cardiomyocytes.
III. IMPLICATION DU CYTOSQUELETTE DANS LES DYSFONCTIONS MYOCARDIQUES.
III.1. Implication du cytosquelette dans les cardiomyopathies primitives.
III.1.a. Implication du cytosquelette dans les cardiomyopathies hypertrophiques.
III.1.b. Implication du cytosquelette dans les cardiomyopathies dilatées.
III.2. Implication du cytosquelette dans les cardiomyopathies ischémiques.
III.2.a. Implication du cytosquelette dans l’ischémie-reperfusion myocardique.
III.2.b. Implication du cytosquelette dans la dysfonction myocardique post-infarctus.
III.3. Implication du cytosquelette dans les cardiopathies par surcharge barométrique.
III.4. Implication du cytosquelette dans les cardiopathies par surcharge volumétrique.
III.5. Implication du cytosquelette dans la cardiomyopathie septique.
OBJECTIFS DU TRAVAIL
RESULTATS
Article 1
Résultats non publiés
DISCUSSION
I. IMPLICATION DES MICROTUBULES DANS LA CARDIOMYOPATHIE SEPTIQUE.
II. IMPLICATION DES MICROFILAMENTS DANS LA CARDIOMYOPATHIE SEPTIQUE.
CONCLUSIONS

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