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Biologie moléculaire de la cellule	s autres cellules et rendant possible le comportement compliqu des animaux sup rieurs. Les axones et les dendrites (collectivement appel s neurites) sont remplis de faisceaux de microtubules qui sont essentiels la fois leur structure et leur fonction. Dans les axones, tous les microtubules sont orient s dans la m me direction, leur extr mit n gative pointant vers le corps cellulaire et leur extr mit positive pointant vers les terminaisons axonales (Figure 16-62). Les microtubules n'atteignent pas la cellule Figure 16 61 Mouvements r gul s des m lanosomes dans les cellules pigmentaires de poisson. Ces cellules g antes, qui sont responsables des changements de coloration de la peau chez plusieurs esp ces de poissons, contiennent de gros granules de pigment, ou m lanosomes (bruns). Les m lanosomes peuvent changer d'emplacement dans la cellule en r ponse un stimulus hormonal ou neuronal. (A) Vue sch matique d'une cellule pigmentaire, montrant la dispersion et l'agr gation des m lanosomes en r ponse une augmentation ou une diminution de l'AMP cyclique intracellulaire (AMPc), respectivement. Les deux redistributions des m lanosomes se produisent le long des microtubules. (B) Images en fond clair d'une seule cellule dans une caille d'un poisson cichlid africain, montrant ses m lanosomes dispers s dans tout le cytoplasme ( gauche) ou agr g s au centre de la cellule ( droite). (B, avec l'aimable autorisation de Leah Haimo.) Figure 16 62 Organisation des microtubules dans un neurone. Dans un neurone, l'organisation des microtubules est complexe. Dans l'axone, tous les microtubules partagent la m me polarit , les extr mit s positives pointant vers l'ext rieur vers l'extr mit axonale. Aucun microtubule ne s' tend sur toute la longueur de l'axone ; Au lieu de cela, de courts segments de microtubules parall les qui se chevauchent ouvrent la voie un transport axonal rapide. Chez les dendrites, les microtubules sont de polarit mixte, avec certaines extr mit s positives pointant vers l'ext rieur et d'autres pointant vers l'int rieur. Les v sicules peuvent s'associer la fois la kin sine et la dyn ine et se d placer dans les deux sens le long des microtubules des axones et des dendrites, selon le moteur actif. corps jusqu'aux terminaisons axonales ; Chacun ne mesure g n ralement que quelques microm tres de long, mais un grand nombre est d cal dans un r seau qui se chevauche. Ces pistes de microtubules align es agissent comme une autoroute pour transporter des prot ines sp cifiques, des v sicules contenant des prot ines et des ARNm vers les terminaisons axonales, o les synapses sont construites et maintenues. L'axone le plus long du corps humain s' tend de la base de la moelle pini re au pied et mesure jusqu' un m tre de long. En comparaison, les dendrites sont g n ralement beaucoup plus courtes que les axones. Les microtubules des dendrites sont parall les les uns aux autres, mais leurs polarit s sont m lang es, certains pointant leurs extr mit s positives vers l'extr mit de la dendrite, tandis que d'autres pointent vers le corps cellulaire, rappelant le r seau de microtubules antiparall les du fuseau mitose. Tout comme les myofibrilles sont des machines de motilit hautement sp cialis es et efficaces construites partir de filaments d'actine et de myosine, les cils et les flagelles sont des structures de motilit hautement sp cialis es et efficaces construites partir de microtubules et de dyn ine. Les cils et les flagelles sont des appendices cellulaires ressemblant des cheveux qui ont un faisceau de microtubules en leur c ur. Les flagelles se trouvent sur les spermatozo des et de nombreux protozoaires. Par leur mouvement ondulatoire, ils permettent aux cellules auxquelles ils sont attach s de nager dans les milieux liquides. Les cils sont organis s de la m me mani re, mais ils battent avec un mouvement de fouet qui ressemble la brasse en natation. Le battement ciliaire peut soit propulser des cellules individuelles travers un liquide (comme dans la nage du protozoaire Param cie), soit d placer un fluide la surface d'un groupe de cellules dans un tissu. Dans le corps humain, un grand nombre de cils (109/cm2 ou plus) tapissent notre les voies respiratoires, balayant les couches de mucus, les particules de poussi re pi g es et les bact ries jusqu' la bouche o elles sont aval es et finalement limin es. De m me, les cils le long de l'oviducte aident balayer les ufs vers l'ut rus. Le mouvement d'un cil ou d'un flagelle est produit par la flexion de son noyau, appel axon me. L'axon me est compos de microtubules et de leurs prot ines associ es, dispos s selon un motif distinctif et r gulier. Neuf microtubules doublets sp ciaux (comprenant un micro-tubule complet et un micro-tubule partiel fusionn s de sorte qu'ils partagent une paroi de tubule commune) sont dispos s en anneau autour d'une paire de microtubules simples (Figure 16 63). Presque toutes les formes de flagelles
Biologie moléculaire de la cellule	et de cils eucaryotes mobiles (des protozoaires aux humains) ont cet arrangement caract ristique. Les microtubules s' tendent continuellement sur toute la longueur de l'axon me, qui peut tre de 10 200 m. des positions r guli res le long de la longueur des microtubules, des prot ines accessoires r ticulent les microtubules entre eux. Figure 16 63 La disposition des microtubules dans un flagelle ou un cil. (A) Micrographie lectronique du flagelle d'une cellule d'algue verte (Chlamydomonas) montr e en coupe efficace, illustrant la disposition distinctive 9 + 2 des microtubules. (B) Sch ma des parties d'un flagelle ou d'un cil. Les diff rentes projections des microtubules relient les microtubules entre eux et se produisent intervalles r guliers le long de l'axon me. (C) Image de tomographie lectronique haute r solution d'un microtubule doublet externe montrant des d tails structurels et des caract ristiques l'int rieur des microtubules appel s prot ines internes des microtubules (MIP). (A, avec l'aimable autorisation de Lewis Tilney ; C, avec l'aimable autorisation de Daniela Nicastro.) 942 Chapitre 16 : Le cytosquelette Les mol cules de dyn ine axon mique forment des ponts entre les microtubules doublets voisins autour de la circonf rence de l'axon me (Figure 16-64). Lorsque le domaine moteur de cette dyn ine est activ , les mol cules de dyn ine attach es un doublet de microtubule (voir Figure 16-59) tentent de marcher le long du doublet de microtubule adjacent, ce qui tend forcer les doublets adjacents glisser les uns par rapport aux autres, un peu comme les filaments minces d'actine glissent lors de la contraction musculaire. Cependant, la pr sence d'autres liens entre les doublets des microtubules emp che ce glissement, et la force de dyn ine est plut t convertie en un mouvement de flexion (Figure 16 65). Chez l'homme, les anomalies h r ditaires de la dyn ine axon mique provoquent une affection appel e dyskin sie ciliaire primitive ou syndrome de Kartagener. Ce syndrome est caract ris par une inversion de l'asym trie normale des organes internes (sinus inversus) due une perturbation de l' coulement des fluides dans l'embryon en d veloppement, une st rilit masculine due des spermatozo des immobiles et une sensibilit lev e aux infections pulmonaires due des cils paralys s incapables de d barrasser les voies respiratoires des d bris et des bact ries. Les bact ries nagent galement en utilisant des structures de surface cellulaire appel es flagelles, mais celles-ci ne contiennent pas de microtubules ou de dyn ine et ne ondulent pas. Au lieu de cela, les flagelles bact riens sont de longs filaments h lico daux rigides, constitu s de sous-unit s r p titives de la prot ine flagelline. Les flagelles tournent comme des h lices, entra n s par un moteur rotatif sp cial int gr dans la paroi cellulaire bact rienne. L'utilisation du m me nom pour d signer ces deux types d'appareils de natation tr s diff rents est un accident historique regrettable. De nombreuses cellules poss dent une contrepartie plus courte et non mobile des cils et des flagelles appel e cil primaire. Les cils primaires peuvent tre consid r s comme des compartiments cellulaires sp cialis s ou des organites qui remplissent un large ventail de fonctions cellulaires, mais partagent Figure 16 64 Dyn ine ciliaire. La dyn ine ciliaire (axon me) est un grand assemblage prot ique (pr s de 2 millions de daltons) compos de 9 12 cha nes polypeptidiques, dont la plus grande est la cha ne lourde de plus de 500 000 daltons. (A) Les cha nes lourdes forment la majeure partie des domaines globulaires de la t te et de la tige, et bon nombre des petites cha nes sont regroup es autour de la base de la tige. Il y a deux t tes dans la dyn ine externe chez les m tazoaires (illustr es ici), mais trois t tes chez les protozoaires, chacune form e de sa propre cha ne lourde. La queue de la mol cule se lie troitement un microtubule A, tandis que les grandes t tes globulaires ont un site de liaison d pendant de l'ATP pour un microtubule B (voir Figure 16 63). Lorsque les t tes hydrolysent leur ATP li , elles se d placent vers l'extr mit n gative du microtubule B, produisant ainsi une force de glissement entre les doublets de microtubules adjacents dans un cil ou un flagelle (voir Figure 16-59). (B) Micrographie lectronique cryograv e d'un cil montrant les bras de dyn ine se projetant intervalles r guliers partir des microtubules doublets. (B, avec la permission de John Heuser.) Figure 16 65 La courbure d'un axon me. (A) Lorsque les axon mes sont expos s l'enzyme prot olytique trypsine, les liaisons qui maintiennent ensemble les microtubules doublets voisins sont rompues. Dans ce cas, l'ajout d'ATP permet l'action motrice des t tes dyn ines de faire glisser une paire de microtubules doublets contre l'autre paire. (B) Dans un axon me intact (comme dans un spermatozo de), des liaisons prot iques flexibles emp chent le gli
Biologie moléculaire de la cellule	ssement du doublet. L'action motrice provoque donc un mouvement de flexion, cr ant des vagues ou des mouvements de battement. De nombreuses caract ristiques structurelles avec des cils mobiles. Les cils mobiles et non mobiles sont g n r s pendant l'interphase au niveau de structures associ es la membrane plasmique appel es corps basaux qui les enracinent fermement la surface de la cellule. Au c ur de chaque corps basal se trouve un centriole, la m me structure que celle que l'on trouve au centre des centrosomes animaux, avec neuf groupes de microtubules triplets fusionn s dispos s en roue (voir Figure 16-48). Les centrioles sont multifonctionnels, contribuant l'assemblage du fuseau mitotique dans les cellules en division, mais migrant vers la membrane plasmique des cellules interphases pour mod liser la nucl ation de l'axon me (Figure 16-66). Parce qu'aucune traduction prot ique ne se produit dans les cils, la construction de l'axon me n cessite un transport intraflagellaire (IFT), un syst me de transport d couvert dans l'algue verte Chlamydomonas. De mani re analogue l'axone, les moteurs d placent des cargaisons dans des directions ant rogrades et r trogrades, dans ce cas entra n s par la kin sine-2 et la dyn ine cytoplasmique 2, respectivement. Les cils primaires se trouvent la surface de presque tous les types de cellules, o ils d tectent et r pondent l'environnement ext rieur, fonctions mieux comprises dans le contexte de l'odorat et de la vue. Dans l' pith lium nasal, les cils d passant des dendrites des neurones olfactifs sont le site de la r ception des odeurs et de l'amplification du signal. De m me, les cellules b tonnets et coniques de la r tine des vert br s poss dent un cil primaire quip d'une pointe largie appel e segment externe, qui est sp cialis dans la conversion de la lumi re en signal neuronal (voir Figure 15-38). Le maintien du segment externe n cessite le transport continu de grandes quantit s de lipides et de prot ines dans le cil, des vitesses allant jusqu' 2000 mol cules par minute. Les liens entre la fonction des cils et les sens de la vue et de l'odorat sont mis en vidence par le syndrome de Bardet-Biedl, un ensemble de troubles associ s des anomalies de l'IFT, du cil ou du corps basal. Les patients atteints du syndrome de Bardet-Biedl ne sentent pas et souffrent de d g n rescence r tinienne. D'autres caract ristiques de ce trouble multiples facettes comprennent la perte auditive, la maladie polykystique des reins, le diab te, l'ob sit et la polydactylie, ce qui sugg re que les cils primaires ont des fonctions dans de nombreux aspects de la physiologie humaine. Les microtubules sont des polym res rigides de mol cules de tubuline. Ils s'assemblent en ajoutant des sous-unit s de tubuline contenant du GTP l'extr mit libre d'un microtubule, une extr mit (l'extr mit positive) se d veloppant plus rapidement que l'autre. L'hydrolyse du GTP li a lieu Figure 16 66 Cils primaires. (A) Micrographie lectronique et sch ma du corps basal d'un neurone de souris : cil primaire. L'axon me du cil primaire (fl che noire) est nucl par le centriole m re au niveau du corps basal, qui se localise au niveau de la membrane plasmique pr s de la surface cellulaire. (B) Les centrioles fonctionnent alternativement comme des corps basaux et comme le noyau des centrosomes. Avant qu'une cellule n'entre dans le cycle de division cellulaire, le cil primaire est excr t ou r sorb . Les centrioles recrutent du mat riel p ricentriolaire et se dupliquent au cours de la phase S, g n rant deux centrosomes, chacun contenant une paire de centrioles. Les centrosomes nucl ent les microtubules et se localisent aux p les du fuseau mitose. la sortie de la mitose, un cil primaire se d veloppe nouveau partir du centriole m re. (A, avec l'aimable autorisation de Josef Spacek.) apr s l'assemblage et affaiblit les liaisons qui maintiennent les microtubules ensemble. Les microtubules sont dynamiquement instables et susceptibles d'un d sassemblage catastrophique, mais ils peuvent tre stabilis s dans les cellules par association avec d'autres structures. Les centres d'organisation des microtubules, tels que les centrosomes, prot gent les extr mit s n gatives des microtubules et nucl ent continuellement la formation de nouveaux microtubules. Les prot ines associ es aux microtubules (MAP) stabilisent les microtubules, et celles qui se localisent l'extr mit positive (+TIP) peuvent modifier les propri t s dynamiques du microtubule ou favoriser son interaction avec d'autres structures. Contrecarrant l'activit stabilisatrice des MAP sont des facteurs catastrophiques, tels que les prot ines de kin sine-13, qui agissent pour s parer les extr mit s des microtubules. D'autres membres de la famille des kin sines ainsi que la dyn ine utilisent l' nergie de l'hydrolyse de l'ATP pour se d placer de mani re unidirectionnelle le long d'un microtubule. La dyn ine motrice se d place vers l'extr mit n g
Biologie moléculaire de la cellule	ative des microtubules, et son glissement des microtubules axon mes sous-tend le battement des cils et des flagelles. Les cils primaires sont des organes sensoriels non mobiles que l'on trouve sur de nombreux types de cellules. Toutes les cellules eucaryotes contiennent de l'actine et de la tubuline. Mais le troisi me grand type de prot ine cytosquelettique, le filament interm diaire, ne forme un filament cytoplasmique que chez certains m tazoaires, notamment les vert br s, les n matodes et les mollusques. Les filaments interm diaires sont particuli rement pro minents dans le cytoplasme des cellules soumises des contraintes m caniques et ne se trouvent g n ralement pas chez les animaux dot s d'exosquelettes rigides, tels que les arthropodes et les chinodermes. Il semble que les filaments interm diaires conf rent une r sistance m canique aux tissus des animaux les plus spongieux. Les filaments interm diaires cytoplasmiques sont troitement li s leurs anc tres, les lamines nucl aires beaucoup plus r pandues, que l'on trouve chez de nombreux eucaryotes mais qui sont absentes des organismes unicellulaires. Les lamines nucl aires forment un r seau qui tapisse la membrane interne de l'enveloppe nucl aire, o elles fournissent des sites d'ancrage pour les chromosomes et les pores nucl aires. plusieurs reprises au cours de l' volution des m tazoaires, les g nes de la lamine se sont apparemment dupliqu s, et les duplications ont volu pour produire des filaments interm diaires cytoplasmiques en forme de corde. Contrairement aux isoformes d'actine et de tubuline hautement conserv es qui sont cod es par une poign e de g nes, diff rentes familles de filaments interm diaires sont beaucoup plus diversifi es et sont cod es par 70 g nes humains diff rents avec des fonctions distinctes et sp cifiques au type cellulaire (tableau 16 2). (C) 0,1 m NH2 COOH COOH T tram re d cal NH2 de deux dim res bobine enroul e, association lat rale de 8 t tram res, ajout de 8 t tram res la flament en croissance Figure 16 67 Mod le de construction de filaments interm diaires. Le monom re repr sent en (A) s'apparie un autre monom re pour former un dim re (B), dans lequel les domaines de la tige centrale conserv s sont align s en parall le et enroul s ensemble en une bobine enroul e. (C) Deux dim res s'alignent ensuite c te c te pour former un t tram re antiparall le de quatre cha nes polypeptidiques. Les dim res et les t tram res sont les sous-unit s solubles des filaments interm diaires. (D) l'int rieur de chaque t tram re, les deux dim res sont d cal s l'un par rapport l'autre, ce qui lui permet de s'associer un autre t tram re. (E) Dans le filament final en forme de corde de 10 nm, les t tram res sont regroup s dans un r seau h lico dal, qui a 16 dim res (32 bobines enroul es) en section transversale. La moiti de ces dim res pointent dans chaque direction. Une micrographie lectronique de filaments interm diaires est montr e en haut gauche (vid o 16.12). (Micrographie lectronique avec l'aimable autorisation de Roy Quinlan.) La structure interm diaire du filament d pend de l'empaquetage lat ral et de la torsion des bobines enroul es Bien que leurs domaines amino-terminaux et carboxy-terminaux diff rent, tous les membres de la famille des filaments interm diaires sont des prot ines allong es avec un domaine central -h lico dal conserv contenant environ 40 motifs de r p tition d'heptades qui forment une structure de bobine enroul e tendue avec un autre monom re (voir Figure 3 9). Une paire de dim res parall les s'associe ensuite de mani re antiparall le pour former un t tram re d cal (Figure 16 67). Contrairement aux sous-unit s d'actine ou de tubuline, les sous-unit s de filaments interm diaires ne contiennent pas de site de liaison pour un nucl otide. De plus, comme la sous-unit t tram re est compos e de deux dim res pointant dans des directions oppos es, ses deux extr mit s sont identiques. Le filament interm diaire assembl n'a donc pas la polarit structurelle globale qui est critique pour les filaments d'actine et les microtubules. Les t tram res s'agglom rent lat ralement pour former le filament, qui comprend huit protofilaments parall les constitu s de t tram res. Chaque filament interm diaire individuel a donc une section transversale de 32 bobines individuelles -h lico dales. Ce grand nombre de polypeptides tous align s ensemble, avec les fortes interactions hydrophobes lat rales typiques des prot ines enroul es, donne aux filaments interm diaires un caract re de corde. Ils peuvent tre facilement pli s, avec une longueur de persistance inf rieure un microm tre (contre quelques millim tres pour les microtubules et une dizaine de microm tres pour l'actine), mais ils sont extr mement difficiles casser et peuvent tre tir s jusqu' plus de trois fois leur longueur (voir Figure 16-6). On sait moins bien le m canisme d'assemblage et de d sassemblage des filaments interm diaires que celui de
Biologie moléculaire de la cellule	s filaments d'actine et des microtubules. Dans les solutions prot iques pures, les filaments interm diaires sont extr mement stables en raison de l'association troite des sous-unit s, mais certains types de filaments interm diaires, y compris la vimentine, forment des structures hautement dynamiques dans des cellules telles que les fibroblastes. La phosphorylation des prot ines r gule probablement leur d sassemblage, de la m me mani re que la phosphorylation r gule le d sassemblage des lamines nucl aires en mitose (voir Figure 12-18). Preuve d'un renouvellement rapide, des sous-unit s marqu es micro-inject es dans des cellules de culture tissulaire s'incorporent dans des filaments interm diaires en quelques minutes. Le remodelage du r seau de filaments interm diaires accompagne les v nements n cessitant une r organisation cellulaire dynamique, tels que la division, la migration et la diff renciation. Les filaments interm diaires conf rent une stabilit m canique aux cellules animales Les k ratines sont la famille de filaments interm diaires la plus diversifi e : il y en a environ 20 dans diff rents types de cellules pith liales humaines et environ 10 autres qui sont sp cifiques aux cheveux et aux ongles ; L'analyse de la s quence du g nome humain a r v l qu'il existe 54 k ratines distinctes. Chaque filament de k ratine est constitu d'un m lange gal de prot ines de k ratine de type I (acide) et de type II (neutre/basique) ; ceux-ci forment une sous-unit de filament h t rodim re (voir Figure 16-67). Les r seaux de k ratine r ticul s maintenus ensemble par des liaisons disulfure peuvent survivre m me la mort de leurs cellules, formant des rev tements durs pour les animaux, comme dans la couche externe de la peau et dans les cheveux, les ongles, les griffes et les cailles. La diversit des k ratines est cliniquement utile dans le diagnostic des cancers pith liaux (carcinomes), car l'ensemble particulier de k ratines exprim es donne une indication du tissu pith lial dans lequel le cancer a pris naissance et peut donc aider guider le choix du traitement. Une seule cellule pith liale peut produire plusieurs types de k ratines, et celles-ci copolym risent en un seul r seau (Figure 16-68). Les filaments de k ratine conf rent une r sistance m canique aux tissus pith liaux en partie en ancrant les filaments interm diaires aux sites de contact cellule-cellule, appel s desmosomes, ou de contact cellule-matrice, appel s h midesmosomes (voir Figure 16-4). Nous aborderons ces structures adh sives importantes au chapitre 19. Les prot ines accessoires, telles que la filaggrine, regroupent les filaments de k ratine dans les cellules diff renciatrices de l' piderme pour donner aux couches les plus externes de la Figure 16 68 Filaments de k ratine dans les cellules pith liales. Micrographie d'immunofluorescence du r seau de filaments de k ratine (bleu) dans une feuille de cellules pith liales en culture. Les filaments de chaque cellule sont indirectement reli s ceux de ses voisines par des desmosomes (discut au chapitre 19). Une deuxi me prot ine (rouge) a t color e pour r v ler l'emplacement des limites cellulaires. (Avec l'aimable autorisation de Kathleen Green et Evangeline Amargo.) peau leur duret particuli re. Les personnes pr sentant des mutations dans le g ne codant pour la filaggrine sont fortement pr dispos es aux maladies de la peau s che telles que l'ecz ma. Les mutations dans les g nes de la k ratine sont l'origine de plusieurs maladies g n tiques humaines. Par exemple, lorsque des k ratines d fectueuses sont exprim es dans la couche basocellulaire de l' piderme, elles produisent un trouble appel pidermolyse bulleuse simplex, dans lequel la peau se cloque en r ponse un stress m canique m me tr s l ger, ce qui rompt les cellules basales (Figure 16-69). D'autres types de maladies v siculeuses, notamment les troubles de la bouche, de la muqueuse sophagienne et de la corn e de l' il, sont caus s par des mutations dans les diff rentes k ratines dont l'expression est sp cifique ces tissus. Toutes ces maladies se caract risent par une rupture cellulaire la suite d'un traumatisme m canique et d'une d sorganisation ou d'un agglutination du cytosquelette du filament de k ratine. De nombreuses mutations sp cifiques l'origine de ces maladies modifient les extr mit s du domaine central de la tige, d montrant ainsi le Importance de cette partie particuli re de la prot ine pour l'assemblage correct du filament. Les membres d'une autre famille de filaments interm diaires, appel s neurofilaments, se trouvent en fortes concentrations le long des axones des neurones des vert br s (Figure 16-70). Trois types de prot ines de neurofilaments (NF-L, NF-M et NF-H) s'assemblent in vivo, formant des h t ropolym res. Les prot ines NF-H et NF-M ont de longs domaines de queue C-terminaux qui se lient aux filaments voisins, g n rant des r seaux align s avec un espacement uniforme entre les filaments. Au
Biologie moléculaire de la cellule	cours de la croissance axonale, de nouvelles sous-unit s de neurofilaments sont incorpor es tout le long de l'axone dans un processus dynamique qui implique l'ajout de sous-unit s le long de la longueur du filament ainsi que des extr mit s. Une fois qu'un axone s'est d velopp et s'est connect sa cellule cible, le diam tre de l'axone peut tre multipli par cinq. Le niveau d'expression des g nes des neurofilaments semble contr ler directement le diam tre axonal, ce qui influence la vitesse laquelle les signaux lectriques se propagent le long de l'axone. De plus, les neurofilaments fournissent force et stabilit aux longs processus cellulaires des neurones. La maladie neurod g n rative de la scl rose lat rale amyotrophique (SLA, ou maladie de Lou Gehrig) est associ e une accumulation et un assemblage anormal de neurofilaments dans les corps cellulaires des motoneurones et dans l'axone, aberrations qui peuvent interf rer avec le transport axonal normal. La d g n rescence des axones entra ne une faiblesse musculaire et une atrophie, ce qui est g n ralement fatal. La surexpression de NF-L ou NF-H humaine chez la souris fait que les souris sont atteintes d'une maladie semblable la SLA. Cependant, un lien de causalit entre la pathologie des neurofilaments et la SLA n'a pas t fermement tabli. cellule basale de l' piderme Figure 16 69 Cloques de la peau caus es par un g ne mutant de la k ratine. Un g ne mutant codant pour une prot ine de k ratine tronqu e (d pourvue des domaines N-terminal et C-terminal) a t exprim chez une souris transg nique. La prot ine d fectueuse s'assemble avec les k ratines normales et perturbe ainsi le r seau de filaments de k ratine dans les cellules basales de la peau. Des micrographies optiques de coupes transversales de peau (A) normale et (B) mutante montrent que la cloquage r sulte de la rupture des cellules de la couche basale de l' piderme mutant (courtes fl ches rouges). (C) Un croquis de trois cellules dans la couche basale de l' piderme mutant, observ es par microscopie lectronique. Comme l'indique la fl che rouge, les cellules se rompent entre le noyau et les h midesmosomes (discut s au chapitre 19), qui relient les filaments de k ratine la lame basale sous-jacente. (D'apr s P.A. Coulombe et al., J. Cell Biol. 115:1661-1674, 1991. Avec l'autorisation de The Rockefeller University Press.) Les filaments de type vimentine sont une troisi me famille de filaments interm diaires. La desmine, un membre de cette famille, s'exprime dans les muscles squelettiques, cardiaques et lisses, o elle forme un chafaudage autour du disque Z du sarcom re (voir Figure 16-34). Les souris d pourvues de desmine pr sentent un d veloppement musculaire initial normal, mais les adultes pr sentent diverses anomalies des cellules musculaires, notamment des fibres musculaires mal align es. Chez l'homme, les mutations de la desmine sont associ es diverses formes de dystrophie musculaire et de myopathie cardiaque, illustrant le r le important de la desmine dans la stabilisation des fibres musculaires. Outre leur r le bien tabli dans le maintien de la stabilit m canique du noyau, il devient de plus en plus vident qu'une classe de lamines, le type A, ainsi que de nombreuses prot ines de l'enveloppe nucl aire, sont des chafaudages pour des prot ines qui contr lent une myriade de processus cellulaires, notamment la transcription, l'organisation de la chromatine et la transduction du signal. La majorit des laminopathies sont associ es des versions mutantes de la lamine A et incluent des maladies sp cifiques aux tissus. Les anomalies squelettiques et cardiaques peuvent s'expliquer par un affaiblissement de l'enveloppe nucl aire entra nant des l sions cellulaires et la mort, mais on pense galement que les laminopathies r sultent d'alt rations pathog nes et sp cifiques aux tissus de l'expression des g nes. Les prot ines de liaison relient les filaments du cytosquelette et relient l'enveloppe nucl aire Le r seau de filaments interm diaires est li au reste du cytosquelette par des membres d'une famille de prot ines appel es plakins. Les Plakins sont grands et modulaires, contenant plusieurs domaines qui se connectent filaments cytosquelettiques entre eux et aux complexes jonctionnels. La plectine en est un exemple particuli rement int ressant. En plus de regrouper les filaments interm diaires, il relie les filaments interm diaires aux microtubules, aux faisceaux de filaments d'actine et aux filaments de la prot ine motrice myosine II ; il aide galement fixer les faisceaux de filaments interm diaires aux structures adh sives de la membrane plasmique (Figure 16 71). La pectine et d'autres plakines peuvent interagir avec des complexes prot iques qui relient le cytosquelette l'int rieur du nucl aire. Ces complexes sont constitu s de prot ines SUN de 0,5 m Figure 16 70 Deux types de filaments interm diaires dans les cellules du syst me nerveux. Image au microscope lectroniq
Biologie moléculaire de la cellule	ue grav e de neurofilaments dans un axone de cellule nerveuse, montrant la r ticulation tendue travers des ponts transversaux prot iques - un arrangement cens donner ce long processus cellulaire une grande r sistance la traction. Les ponts transversaux sont form s par les longues extensions non h lico dales l'extr mit C de la plus grande prot ine de neurofilament (NF-H). (B) Image fig e des filaments gliaux dans les cellules gliales, montrant que ces filaments interm diaires sont lisses et ont peu de ponts transversaux. Micrographie lectronique transmission conventionnelle d'une coupe efficace d'un axone montrant l'espacement r gulier des neurofilaments, qui sont beaucoup plus nombreux que les microtubules. (A et B, avec l'aimable autorisation de Nobutaka Hirokawa ; C, avec l'aimable autorisation de John Hopkins.) Figure 16 71 R ticulation de la plectine de divers l ments du cytosquelette. La plectine (verte) est observ e ici, effectuant des r ticulations entre les filaments interm diaires (bleu) et les microtubules (rouge). Dans cette micrographie lectronique, les points (jaunes) sont des particules d'or li es des anticorps anti-plectine. L'ensemble du r seau de filaments d'actine a t retir pour r v ler ces prot ines. (Extrait de T.M. Svitkina et al., J. Cell Biol. 135:991 1007, 1996. Avec l'autorisation de The Rockefeller University Press.) de la membrane nucl aire interne et les prot ines KASH ( galement appel es nesprines) de la membrane nucl aire externe (Figure 16 72). Les prot ines SUN et KASH se lient l'une l'autre dans la lumi re de l'enveloppe nucl aire, formant un pont qui relie les cytosquelettes nucl aires et cytoplasmiques. l'int rieur du noyau, les prot ines SUN se lient la lame nucl aire ou aux chromosomes, tandis que dans le cytoplasme, les prot ines KASH peuvent se lier directement aux filaments d'actine et indirectement aux microtubules et aux filaments interm diaires par association avec des prot ines motrices et des plakins, respectivement. Cette liaison sert coupler m caniquement le noyau au cytosquelette et est impliqu e dans de nombreuses fonctions cellulaires, y compris les mouvements chromosomiques l'int rieur du noyau pendant la m iose, le positionnement nucl aire et centrosome, la migration nucl aire et l'organisation globale du cytosquelette. Les mutations dans le g ne de la plectine provoquent une maladie humaine d vastatrice qui combine l' pidermolyse bulleuse (caus e par la perturbation des filaments de k ratine de la peau), la dystrophie musculaire (caus e par la perturbation des filaments de desmine) et la neurod g n rescence (caus e par la perturbation des neurofilaments). Les souris d pourvues d'un g ne de plectine fonctionnel meurent quelques jours apr s la naissance, avec une peau cloqu e et des muscles squelettiques et cardiaques anormaux. Ainsi, bien que la plectine ne soit peut- tre pas n cessaire la formation initiale et l'assemblage des filaments interm diaires, son action de r ticulation est n cessaire pour fournir aux cellules la force dont elles ont besoin pour r sister aux contraintes m caniques inh rentes la vie des vert br s. Les prot ines de liaison au GTP appel es septines servent de syst me de filaments suppl mentaire chez tous les eucaryotes, l'exception des plantes terrestres. Les septines s'assemblent en filaments non polaires qui forment des anneaux et des structures en forme de cage, qui agissent comme des chafaudages pour compartimenter les membranes en domaines distincts, ou recruter et organiser les cytosquelettes d'actine et de microtubules. Identifi s pour la premi re fois chez la levure bourgeonnante, les filaments de septine se localisent dans le cou entre une cellule m re de levure en division et son bourgeon en croissance (Figure 16 73A). cet endroit, les septines bloquent le mouvement des prot ines d'un c t l'autre du col du bourgeon, concentrant ainsi pr f rentiellement la croissance cellulaire l'int rieur du bourgeon. Les septines recrutent galement la machinerie actine-myosine qui forme l'anneau contractile n cessaire la cytokin se. Dans les cellules animales, les septines fonctionnent dans la division cellulaire, la migration et la v sicule trafic. Dans les cils primaires, par exemple, un anneau de filaments de septine s'assemble la base du cil et sert de barri re de diffusion au niveau de la membrane plasmique, limitant le mouvement des prot ines membranaires et tablissant une composition sp cifique dans la membrane ciliaire (Figure 16-73B et C). La r duction des niveaux de septine alt re la formation et la signalisation du cil primaire. Il existe 7 g nes de la septine chez la levure et 13 chez l'homme, et les prot ines de la septine se divisent en quatre groupes sur la base des relations de s quence. Dans un tube essai, les septines purifi es s'assemblent en h t ro-hexam res sym triques ou h t ro-octam res qui Figure 16 72 Les complexes prot iques SUN-KASH relient le noyau
Biologie moléculaire de la cellule	et le cytoplasme travers l'enveloppe nucl aire. Le cytosquelette cytoplasmique est li travers l'enveloppe nucl aire la lame nucl aire ou aux chromosomes par les prot ines SUN et KASH (orange et violet, respectivement). Les domaines SUN et KASH de ces prot ines se lient dans la lumi re de l'enveloppe nucl aire. partir de l'enveloppe nucl aire interne, les prot ines SUN se connectent la lame nucl aire ou aux chromosomes. Les prot ines KASH de l'enveloppe nucl aire externe se connectent au cytosquelette cytoplasmique en se liant aux prot ines motrices des microtubules, aux filaments d'actine ou la plectine. cellules m res 0,5 m 10 m2 m forment des filaments appari s non polaires (Figure 16 74). La liaison au GTP est n cessaire pour le repliement des polypeptides de septine, mais le r le de l'hydrolyse du GTP dans la fonction de la septine n'est pas compris. Les structures de septine s'assemblent et se d sassemblent l'int rieur des cellules, mais elles ne sont pas aussi dynamiques que les filaments d'actine et les microtubules. Alors que la tubuline et l'actine ont t fortement conserv es au cours de l' volution, les prot ines de filaments interm diaires sont tr s diverses. Il existe de nombreuses formes de filaments interm diaires sp cifiques aux tissus dans le cytoplasme des cellules animales, notamment les filaments de k ratine dans les cellules pith liales, les neurofilaments dans les cellules nerveuses et les filaments de desmine dans les cellules musculaires. La fonction principale de ces filaments est de fournir une r sistance m canique. Les septines comprennent un syst me suppl mentaire de filaments qui organisent les compartiments l'int rieur des cellules. Figure 16 74 Les septines polym risent pour former des filaments et des feuilles appari s. (A) Micrographie lectronique d'une tige de septine assembl e en combinant deux copies de chacune des quatre septines de levure illustr es droite. La tige huit sous-unit s est non polaire car la paire centrale de sous-unit s (Cdc10) cr e un dim re sym trique. (B) Micrographie lectronique de filaments et de feuilles de septines appari s, assembl s partir de septines purifi es en pr sence de fortes concentrations de sel. (C) Les filaments de septine appari s peuvent s'assembler par association lat rale entre les filaments, m di s par des bobines enroul es form es entre les extensions C-terminales appari es de Cdc3 et Cdc12 qui font saillie partir de chaque filament. (Images et sch mas adapt s de A. Bertin et al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 105:8274 8279, 2008. Avec l'autorisation de l'Acad mie nationale des sciences.) Figure 16 73 Compartimentation cellulaire par les septines. (A) Les septines forment des filaments dans la r gion du cou entre une cellule de levure m re et un bourgeon. (B) Dans cette photomicrographie de cellules humaines cultiv es, l'ADN est color en bleu et les septines sont marqu es en vert. Les microtubules des cils primaires sont marqu s avec un anticorps qui reconna t une forme modifi e (ac tyl e) de tubuline (rouge) enrichie en axon me. (C) Une image agrandie r v le un collier de septine la base du cil. (A, d'apr s B. Byers et L. Goetsch, J. Cell Biol. 69:717-721, 1976. Avec la permission de Rockefeller University Press. B et C, d'apr s Q. Hu et al., Science 329:436-439, 2010. Avec l'autorisation de l'AAAS.) L'un des principaux d fis de la biologie cellulaire est de comprendre comment plusieurs composants mol culaires individuels collaborent pour produire des comportements cellulaires complexes. Le processus de migration cellulaire, que nous d crivons dans cette derni re section, repose sur le d ploiement coordonn des composants et des processus que nous avons explor s dans ce chapitre : l'assemblage et le d sassemblage dynamiques des polym res cytosquelettiques, la r gulation et la modification de leur structure par les prot ines associ es aux polym res, et les actions des prot ines motrices se d pla ant le long des polym res ou exer ant une tension contre eux. Comment la cellule coordonne-t-elle toutes ces activit s pour d finir sa polarit et lui permettre de ramper ? De nombreuses cellules se d placent en rampant sur les surfaces plut t qu'en utilisant des cils ou des flagelles pour nager. Les amibes pr datrices rampent continuellement la recherche de nourriture, et on peut facilement les observer attaquer et d vorer des cili s et des flagell s plus petits dans une goutte d'eau d' tang (voir vid o 1.4). Chez les animaux, presque toute la locomotion cellulaire se fait en rampant, l'exception notable des spermatozo des nageurs. Au cours de l'embryogen se, la structure d'un animal est cr e par les migrations de cellules individuelles vers des emplacements cibles sp cifiques et par les mouvements coordonn s de feuillets pith liaux entiers (discut s au chapitre 21). Chez les vert br s, les cellules de la cr te neurale sont remarquables pour leurs migrations sur de longues distances de leur site
Biologie moléculaire de la cellule	d'origine dans le tube neural vers une vari t de sites dans l'embryon (voir vid o 21.5). Le crawl sur de longues distances est fondamental pour la construction de l'ensemble du syst me nerveux : c'est de cette mani re que les c nes de croissance riches en actine aux extr mit s avanc es des axones en d veloppement se d placent vers leurs cibles synaptiques finales, guid s par des combinaisons de signaux solubles et de signaux li s aux surfaces cellulaires et la matrice extracellulaire en cours de route. L'animal adulte bouillonne galement de cellules rampantes. Les macrophages et les neutrophiles rampent jusqu'aux sites d'infection et engloutissent les envahisseurs trangers en tant qu' l ment essentiel de la r ponse immunitaire inn e. Les ost oclastes creusent des tunnels dans l'os, formant des canaux qui sont remplis par les ost oblastes qui les suivent, dans un processus continu de remodelage et de renouvellement osseux. De m me, les fibroblastes migrent travers les tissus conjonctifs, les remodelant si n cessaire et aidant reconstruire les structures endommag es sur les sites de blessure. Dans une procession ordonn e, les cellules de la muqueuse pith liale de l'intestin remontent sur les c t s des villosit s intestinales, rempla ant les cellules absorbantes perdues l'extr mit des villosit s. Malheureusement, le crawling cellulaire joue galement un r le dans de nombreux cancers, lorsque les cellules d'une tumeur primaire envahissent les tissus voisins et rampent dans les vaisseaux sanguins ou les vaisseaux lymphatiques, puis mergent d'autres endroits du corps pour former des m tastases. La migration cellulaire est un processus complexe qui d pend du cortex riche en actine situ sous la membrane plasmique. Trois activit s distinctes sont impliqu es : la protrusion, dans laquelle la membrane plasmique est pouss e l'avant de la cellule ; attachement, dans lequel le cytosquelette d'actine se connecte travers la membrane plasmique au substrat ; et la traction, dans laquelle la majeure partie du cytoplasme de tra n e est tir e vers l'avant (Figure 16-75). Dans certaines cellules rampantes, telles que les k ratocytes de l' piderme du poisson, ces activit s se produisent simultan ment et les cellules semblent glisser doucement vers l'avant sans changer de forme. Dans d'autres cellules, comme les fibroblastes, ces activit s sont plus ind pendantes et la locomotion est saccad e et irr guli re. La premi re tape de la locomotion, la saillie d'un bord d'attaque, repose souvent sur des forces g n r es par la polym risation de l'actine poussant la membrane plasmique vers l'ext rieur. Diff rents types de cellules g n rent diff rents types de structures protrusives, notamment les filopodes ( galement appel es micropointes) et les lamellipodes. Ceux-ci sont remplis de noyaux denses d'actine filamenteuse, ce qui exclut les organites enferm s dans une membrane. Les structures diff rent principalement dans la fa on dont l'actine est organis e par les prot ines de r ticulation de l'actine (voir Figure 16-22). mouvement de l'actine non polym ris e Figure 16 75 Un mod le de la fa on dont les forces g n r es dans le cortex riche en actine font avancer une cellule. La protrusion d pendante de la polym risation de l'actine et la fixation ferme d'un lamellipodium sur le bord d'attaque de la cellule d placent le bord vers l'avant (fl ches vertes l'avant) et tirent le cortex d'actine. La contraction l'arri re de la cellule propulse le corps de la cellule vers l'avant (fl che verte l'arri re) pour rel cher une partie de la tension (traction). De nouveaux contacts focaux sont tablis l'avant, et les anciens sont d mont s l'arri re lorsque la cellule avance en rampant. Le m me cycle peut tre r p t , en d pla ant la cellule vers l'avant par tapes. Alternativement, toutes les tapes peuvent tre troitement coordonn es, faisant avancer la cellule en douceur. L'actine corticale nouvellement polym ris e est repr sent e en rouge. Les filopodies, form es par la migration des c nes de croissance des neurones et de certains types de fibroblastes, sont essentiellement unidimensionnelles. Ils contiennent un noyau de longs filaments d'actine group s, qui rappellent ceux de Microvillosit s mais plus longues et plus fines, ainsi que plus dynamiques. Les lamellipodes, form es par des cellules pith liales et des fibroblastes, ainsi que par certains neurones, sont des structures bidimensionnelles en forme de feuille. Ils contiennent un maillage r ticul de filaments d'actine, dont la plupart se trouvent dans un plan parall le au substrat solide. Les invadopodia et les structures apparent es connues sous le nom de podosomes repr sentent un troisi me type de protub rance riche en actine. Celles-ci s' tendent en trois dimensions et sont importantes pour que les cellules traversent les barri res tissulaires, comme lorsqu'une cellule canc reuse m tastatique envahit les tissus environnants. Les invadopodia contiennent
Biologie moléculaire de la cellule	bon nombre des m mes composants r gulateurs d'actine que les filopodes et les lamellipodes, et ils d gradent galement la matrice extracellulaire, ce qui n cessite l'administration de v sicules contenant des prot ases d gradant la matrice. Une forme distincte de protrusion membranaire appel e blebbing est souvent observ e in vivo ou lorsque les cellules sont cultiv es sur un substrat de matrice extracellulaire souple. Les bulles se forment lorsque la membrane plasmique se d tache localement du cortex d'actine sous-jacent, permettant ainsi au flux cytoplasmique de pousser la membrane vers l'ext rieur (Figure 16-76). La formation de bulles d pend galement de la pression hydrostatique l'int rieur de la cellule, qui est g n r e par la contraction des assemblages d'actine et de myosine. Une fois que les bulles se sont tendues, les filaments d'actine se r assemblent sur la membrane de la bulle pour former un nouveau Figure 16 76 Bulle membranaire induite par la perturbation du cortex d'actine. Sur la gauche, une micrographie optique montrant une protub rance de membrane sph rique ou une bulle induite par l'ablation laser d'une petite r gion du cortex d'actine. Le cortex est tiquet vert dans l'image du milieu par l'expression de la GFP-actine. (Avec l'aimable autorisation d'Ewa Paluch.) cortex d'actine. Le recrutement de la myosine II et la contraction de l'actine et de la myosine peuvent alors alimenter la r traction des bulles membranaires. Alternativement, l'extension de nouvelles bulles partir d'anciennes peut entra ner la migration cellulaire. Les lamellipodes contiennent toute la machinerie n cessaire la motilit cellulaire Les lamellipodes ont t particuli rement bien tudi es dans les cellules pith liales de l' piderme des poissons et des grenouilles ; Ces cellules pith liales sont connues sous le nom de k ratocytes en raison de leur abondance de filaments de k ratine. Ces cellules recouvrent normalement l'animal en formant une feuille pith liale, et elles sont sp cialis es pour fermer les plaies tr s rapidement, se d pla ant des vitesses allant jusqu' 30 m/min. Lorsqu'ils sont cultiv s en tant que cellules individuelles, les k ratocytes prennent une forme distinctive avec un tr s grand lamellipodium et un petit corps cellulaire tra nant qui n'est pas attach au substrat (Figure 16-77). Des fragments de ce lamellipodium peuvent tre d coup s l'aide d'une micropipette. Bien que les fragments soient g n ralement d pourvus de microtubules et d'organites entour s de membrane, ils continuent de ramper normalement, ressemblant de minuscules k ratocytes. Le comportement dynamique des filaments d'actine dans les lamellipsides des k ratocytes peut tre tudi en marquant une petite tache d'actine et en examinant son devenir. Cela r v le que, tandis que les lamellipodes rampent vers l'avant, les filaments d'actine restent stationnaires par rapport au substrat. Les filaments d'actine dans le maillage sont principalement orient s avec leurs extr mit s positives tourn es vers l'avant. Les extr mit s n gatives sont fr quemment attach es aux c t s d'autres filaments d'actine par des complexes Arp 2/3 (voir Figure 16-16), aidant former la toile bidimensionnelle (Figure 16-78). La toile dans son ensemble subit un tapis roulant, s'assemblant l'avant et se d sassemblant l'arri re, ce qui rappelle le tapis roulant qui se produit dans les filaments d'actine individuels discut s pr c demment (voir Figure 16-14). Figure 16 78 Nucl ation des filaments d'actine et formation de la toile par le complexe Arp 2/3 dans les lamellipodes. (A) Un k ratocyte avec des filaments d'actine marqu s en rouge par la phallo dine fluorescente et le complexe Arp 2/3 marqu en vert avec un anticorps contre l'une de ses sous-unit s. Le complexe Arp 2/3 est fortement concentr pr s de l'avant du lamellipodium, l o la nucl ation de l'actine est la plus active. (B) Micrographie lectronique d'une r plique ombrag e de platine du bord d'attaque d'un k ratocyte, montrant le r seau dense des filaments d'actine. Les tiquettes indiquent les zones agrandies en (C). (C) Vues rapproch es des r gions marqu es de la toile d'actine au bord d'attaque illustr es en (B). De nombreux filaments ramifi s peuvent tre observ s, avec l'angle caract ristique de 70 form lorsque le complexe Arp 2/3 nucl e un nouveau filament d'actine sur le c t d'un filament pr existant (voir Figure 16-16). (D'apr s T. Svitkina et G. Borisy, J. Cell Biol. 145:1009-1026, 1999. Avec la permission des auteurs.) Figure 16 77 K ratocytes migrateurs d'un piderme de poisson. (A) Micrographies optiques d'un k ratocyte en culture, prises environ 15 secondes d'intervalle. Cette cellule se d place environ 15 m/min (Vid o 16.13 et voir Vid o 1.1). (B) K ratocyte vu en microscopie lectronique balayage, montrant son lamellipodium large et plat et son petit corps cellulaire, y compris le noyau, port au-dessus du substrat l'arri re. (C) Distribution des
Biologie moléculaire de la cellule	filaments cytosquelettiques dans cette cellule. Des filaments d'actine (rouges) remplissent le grand lamellipodium et sont responsables du mouvement rapide de la cellule. Les microtubules (verts) et les filaments interm diaires (bleus) sont limit s aux r gions proches du noyau. (A et B, avec l'aimable autorisation de Juliet Lee.) 954 Chapitre 16 : Le cytosquelette On pense que le maintien du mouvement unidirectionnel par lamellipodes n cessite la coop ration et l'int gration m canique de plusieurs facteurs. La nucl ation du filament est localis e sur le bord d'attaque, la croissance de nouveaux filaments d'actine se produisant principalement cet endroit pour pousser la membrane plasmique vers l'avant. La plupart des d polym risations de filaments se produisent des sites situ s bien derri re le bord d'attaque. tant donn que la cofiline (voir les figures 16 20) se lie de mani re coop rative et pr f rentielle aux filaments d'actine contenant de l'ADP-actine (forme D), les nouveaux filaments de forme T g n r s sur le bord d'attaque devraient tre r sistants la d polym risation par la cofiline (figure 16 79). Au fur et mesure que les filaments vieillissent et que l'hydrolyse de l'ATP se poursuit, la cofiline peut d sassembler efficacement les filaments plus anciens. Ainsi, on pense que l'hydrolyse retard e de l'ATP par l'actine filamenteuse fournit la base d'un m canisme qui maintient un processus de tapis roulant unidirectionnel efficace dans le lamellipodium (Figure 16-80) ; elle explique galement le mouvement intracellulaire d'agents pathog nes bact riens tels que Listeria (voir Figure 16-25). La contraction de la myosine et l'adh sion cellulaire permettent aux cellules de se tirer vers l'avant Les forces g n r es par la polym risation des filaments d'actine l'avant d'une cellule en migration sont transmises au substrat sous-jacent pour entra ner le mouvement cellulaire. Pour les dirigeants Figure 16 79 Cofiline dans les lamellipodes. Un k ratocyte avec des filaments d'actine marqu s en rouge par de la phallo dine fluorescente, et de la cofiline marqu e en vert avec un anticorps fluorescent. Bien que le r seau dense d'actine s' tende jusqu'au lamellipodium, la cofiline ne se trouve pas sur le bord d'attaque. (B) Vue rapproch e de la r gion marqu e par le rectangle blanc en (A). Les filaments d'actine les plus proches du bord d'attaque, qui sont galement ceux qui se sont form s le plus r cemment et qui sont les plus susceptibles de contenir de l'ATP-actine (plut t que de l'ADP-actine), ne sont g n ralement pas associ s la cofiline. (D'apr s T. Svitkina et G. Borisy, J.Cell Biol. 145:1009-1026, 1999. Avec la permission des auteurs.) Figure 16 80 Un mod le de saillie du r seau d'actine sur le bord d'attaque. Deux points temporels pendant l'avanc e du lamellipodium sont illustr s, avec des structures nouvellement assembl es au dernier point temporel montr es dans une couleur plus claire. La nucl ation est m di e par le complexe Arp 2/3 l'avant. Les filaments d'actine nouvellement nucl s sont fix s sur les c t s des filaments pr existants, principalement un angle de 70 . Les filaments s'allongent, poussant la membrane plasmique vers l'avant en raison d'une sorte d'ancrage du r seau derri re. un rythme r gulier, les extr mit s du filament d'actine et des extr mit s se coiffent. Apr s que les sous-unit s d'actine nouvellement polym ris es hydrolysent leur ATP li dans le r seau filamentaire, les filaments deviennent sensibles la d polym risation par la cofiline. Ce cycle provoque une s paration spatiale entre l'assemblage du filament du filet l'avant et le d montage du filament du filet l'arri re, de sorte que le r seau de filaments d'actine dans son ensemble peut avancer, m me bien que les filaments individuels l'int rieur restent stationnaires par rapport au substrat. Cependant, toute l'actine ne se d sassemble pas, et l'actine l'arri re du lamellipodium contribue aux tapes ult rieures de la migration avec la myosine. Figure 16 81 Contribution de la myosine II la motilit cellulaire polaris e. (A) Les filaments bipolaires de la myosine II se lient aux filaments d'actine dans le r seau lamellipodial et provoquent une contraction du r seau. La r orientation des filaments d'actine induite par la myosine forme un faisceau d'actine qui recrute plus de myosine II et aide g n rer les forces contractiles n cessaires la r traction du bord de fuite de la cellule en mouvement. (B) Un fragment du grand lamellipodium d'un k ratocyte peut tre s par du corps cellulaire principal soit par chirurgie avec une micropipette, soit en traitant la cellule avec certains m dicaments. Beaucoup de ces fragments continuent de se d placer rapidement, avec la m me organisation cytosquelettique globale que les k ratocytes intacts. L'actine (bleue) forme un maillage protub rant l'avant du fragment. La myosine II (rose) est rassembl e en une bande l'arri re. (D'apr s A. Verkhovsky et al.,
Biologie moléculaire de la cellule	Curr. Biol. 9:11-20, 1999. Avec l'autorisation d'Elsevier.) bord d'une cellule en migration pour avancer, la saillie de la membrane doit tre suivie d'une adh sion au substrat l'avant. Inversement, pour que le corps cellulaire suive, la contraction doit tre coupl e une d sadh sion l'arri re de la cellule. Les processus contribuant la migration sont donc troitement r gul s dans l'espace et le temps, la polym risation de l'actine, les adh sions dynamiques et la contraction de la myosine tant utilis es pour coordonner le mouvement. Myosin II agit d'au moins deux mani res pour aider la migration cellulaire. La premi re consiste aider connecter le cytosquelette d'actine au substrat par des adh sions m di es par l'int grine. Les forces g n r es par la polym risation de l'actine et l'activit de la myosine cr ent des tensions aux sites d'attache, favorisant leur maturation en adh rences focales, qui sont des assemblages dynamiques de prot ines structurales et de signalisation qui lient la cellule migratrice la matrice extracellulaire (voir Figure 19-59). Un deuxi me m canisme implique des filaments de myosine II bipolaires, qui s'associent aux filaments d'actine l'arri re du lamellipodium et les tirent dans une nouvelle orientation, passant de presque perpendiculaire au bord d'attaque presque parall le au bord d'attaque. Cette contraction semblable celle d'un sarcom re emp che la protrusion, et elle pince les c t s du lamellipodium locomoteur, aidant se rassembler sur les c t s de la cellule mesure qu'elle avance (Figure 16 81). Les protub rances m di es par l'actine ne peuvent pousser le bord d'attaque de la cellule vers l'avant que s'il existe de fortes interactions entre le r seau d'actine et les adh rences focales qui lient la cellule au substrat. Lorsque ces interactions sont d sengag es, la pression de polym risation sur le bord d'attaque et la contraction d pendante de la myosine font reculer le r seau d'actine, ce qui entra ne un ph nom ne connu sous le nom de flux r trograde (Figure 16-82). Les forces de traction g n r es par les cellules locomotrices exercent une traction importante sur le substrat. En faisant cro tre des cellules sur une surface recouverte de minuscules tenons flexibles, la force exerc e sur le substrat peut tre calcul e en mesurant la d viation de chaque tenon par rapport sa position verticale (Figure 16 83). Chez un animal vivant, la plupart des cellules rampantes se d placent travers un substrat semi-flexible fait de matrice extracellulaire, qui peut tre d form et r arrang par ces forces cellulaires. l'inverse, une tension m canique ou un tirement appliqu l'ext rieur d'une cellule l'am nera assembler des fibres de stress et des adh rences focales, et devenir plus contractile. Bien que mal comprise, cette interaction m canique bidirectionnelle entre les cellules et leur environnement physique aiderait les tissus des vert br s s'organiser. La polarisation cellulaire est contr l e par les membres de la famille des prot ines Rho La migration cellulaire n cessite une communication et une coordination longue distance entre une extr mit et l'autre d'une cellule. Lors de la migration dirig e, il est important que l'extr mit avant de la cellule reste structurellement et fonctionnellement distincte de l'extr mit arri re. En plus de piloter des processus m caniques locaux tels que la saillie l'avant et la r traction l'arri re, le cytosquelette est responsable de la coordination de la forme, de l'organisation et des propri t s m caniques des cellules d'un bout l'autre de la cellule, une distance qui est g n ralement de plusieurs dizaines de microm tres pour les cellules animales. Dans de nombreux cas, y compris, mais sans s'y limiter, la migration cellulaire, la coordination cytosquelettique grande chelle prend la forme de l' tablissement de la polarit cellulaire, o une cellule construit diff rentes structures avec des composants mol culaires distincts l'avant et l'arri re, ou en haut et en bas. La locomotion cellulaire n cessite une polarisation initiale de la cellule pour la mettre en valeur dans une direction particuli re. Des processus de polarisation cellulaire soigneusement contr l s sont galement n cessaires pour les divisions cellulaires orient es dans les tissus et pour la formation d'une structure multicellulaire coh rente et organis e. Les tudes g n tiques chez les levures, les mouches et les vers ont fourni la majeure partie de notre compr hension actuelle de la base mol culaire de la polarit cellulaire. Les m canismes qui g n rent la polarit cellulaire chez les vert br s commencent peine tre explor s. Dans tous les cas connus, cependant, le cytosquelette joue un r le central, et de nombreux composants mol culaires ont t conserv s au cours de l' volution. L' tablissement de nombreux types de polarit cellulaire d pend de la r gulation locale du cytosquelette d'actine par des signaux externes. Beauc
Biologie moléculaire de la cellule	oup de ces signaux semblent converger l'int rieur de la cellule sur un groupe de GTPases monom res troitement apparent es qui sont membres de la famille des prot ines Rho - Cdc42, Rac et Rho. Comme d'autres GTPases monom res, les prot ines Rho agissent comme des commutateurs mol culaires qui alternent entre un tat actif li au GTP et un tat inactif li au GDP (voir Figure 3-66). L'activation de Cdc42 sur la surface interne de la membrane plasmique d clenche la polym risation et le regroupement de l'actine pour former des filopodes. L'activation de Rac favorise la polym risation de l'actine la p riph rie cellulaire, conduisant la formation d'extensions lamellipodiales en forme de feuille. L'activation de Rho favorise la fois le regroupement des filaments d'actine avec les filaments de myosine II dans les fibres de stress et le regroupement des int grines Figure 16 82 Contr le de l'adh sion cellule-substrat sur le bord d'attaque d'une cellule en migration. (A) Les monom res d'actine s'assemblent l'extr mit barbel e des filaments d'actine sur le bord d'attaque. Les prot ines d'int grine transmembranaire (en bleu) aident former des adh rences focales qui lient la membrane cellulaire au substrat. (B) S'il n'y a pas d'interaction entre les filaments d'actine et les adh rences focales, le filament d'actine est entra n vers l'arri re par l'actine nouvellement assembl e. Les moteurs myosine (vert) contribuent galement au mouvement du filament. (C) Les interactions entre les prot ines adaptatrices de liaison l'actine (brunes) et les int grines lient le cytosquelette d'actine au substrat. Les forces contractiles m di es par la myosine sont ensuite transmises travers l'adh sion focale pour g n rer une traction sur la matrice extracellulaire, et la nouvelle polym risation de l'actine pousse le bord d'attaque vers l'avant dans une saillie. Figure 16 83 Forces de traction exerc es par une cellule mobile. (A) De minuscules piliers flexibles fix s au substrat se plient en r ponse aux forces de traction. (B) Micrographie lectronique balayage d'une cellule sur un substrat recouvert de piliers de 6,1 m de hauteur. Les d flexions des piliers sont utilis es pour calculer les vecteurs de force correspondant aux forces de traction vers l'int rieur sur le substrat sous-jacent. (Adapt de J. Fu et al., Nat. Methods 7:733 736, 2010. Avec l'autorisation de Macmillan Publishers.) et les prot ines associ es pour former des adh rences focales (Figure 16-84). Ces changements structurels spectaculaires et complexes se produisent parce que chacun de ces trois commutateurs mol culaires poss de de nombreuses prot ines cibles en aval qui affectent l'organisation et la dynamique de l'actine. Certaines cibles cl s de Cdc42 activ es sont des membres de la famille des prot ines WASp. Les patients humains d ficients en WASp souffrent du syndrome de Wiskott-Aldrich, une forme s v re d'immunod ficience dans laquelle les cellules du syst me immunitaire ont une motilit anormale bas e sur l'actine et les plaquettes ne se forment pas normalement. Bien que WASp lui-m me ne soit exprim que dans les cellules sanguines et les cellules du syst me immunitaire, d'autres versions plus omnipr sentes permettent Cdc42 activ d'am liorer la polym risation de l'actine dans de nombreux types de cellules. Les prot ines WASp peuvent exister dans une conformation repli e inactive et une conformation ouverte activ e. L'association avec Cdc42-GTP stabilise la forme ouverte de WASp, lui permettant de se lier au complexe Arp 2/3 et d'augmenter fortement son activit de nucl ation d'actine (voir Figure 16-16). De cette fa on, l'activation de Cdc42 augmente la nucl ation de l'actine. Rac-GTP active galement les membres de la famille WASp. De plus, il active l'activit de r ticulation de la prot ine g lifiante filamine et inhibe l'activit contractile de la prot ine motrice myosine II. Il a ainsi stabilise les lamellipodes et inhibe la formation de fibres de stress contractiles (Figure 16 85A). Rho-GTP a un ensemble de cibles tr s diff rent. Au lieu d'activer le complexe Arp 2/3 pour construire des r seaux d'actine, Rho-GTP active les prot ines de formine pour construire des faisceaux d'actine parall les. Dans le m me temps, Rho-GTP active une prot ine kinase qui inhibe indirectement l'activit de la cofiline, conduisant la stabilisation du filament d'actine. La m me prot ine kinase inhibe une phosphatase agissant sur les cha nes l g res de la myosine (voir Figure 16-39). L'augmentation cons quente de la quantit nette de phosphorylation des cha nes l g res de la myosine augmente la quantit d'activit de la prot ine motrice contractile de la myosine dans la cellule, am liorant la formation de structures d pendantes de la tension telles que les fibres de stress (Figure 16-85B). Dans certains types de cellules, Rac-GTP active Rho, g n ralement un rythme lent par rapport l'activation du complexe Arp 2/3 par Rac. Cela permet aux cellu
Biologie moléculaire de la cellule	les d'utiliser la voie Rac pour construire une nouvelle structure d'actine tout en activant par la suite la voie Rho pour g n rer une contractilit qui accumule de la tension dans cette structure. Cela se produit, par exemple, lors de la formation et de la maturation des contacts entre cellules. Figure 16 84 Les effets dramatiques de Cdc42, Rac et Rho sur l'organisation de l'actine dans les fibroblastes. Dans chaque cas, les filaments d'actine ont t marqu s avec de la phallo dine fluorescente. (A) Les fibroblastes affam s de s rum ont des filaments d'actine principalement dans le cortex et relativement peu de fibres de stress. (B) La micro-injection d'une forme de Cdc42 activ e de mani re constitutive provoque la protrusion de nombreux filopodes longs la p riph rie cellulaire. (C) La micro-injection d'une forme de Rac activ e de mani re constitutive, une GTPase monom re troitement apparent e, provoque la formation d'un norme lamellipodium qui s' tend sur toute la circonf rence de la cellule. (D) La micro-injection d'une forme de Rho activ e de mani re constitutive provoque l'assemblage rapide de nombreuses fibres de stress pro minentes. (D'apr s A. Hall, Science 279:509-514, 1998. Avec l'autorisation de l'AAAS.) Comme nous l'explorerons plus en d tail ci-dessous, la communication entre les voies Rac et Rho facilite galement le maintien des diff rences grande chelle entre l'avant et l'arri re de la cellule pendant la migration. Les signaux extracellulaires peuvent activer les trois membres de la famille des prot ines Rho L'activation des GTPases monom res Rho, Rac et Cdc42 se produit par un change de GTP contre une mol cule de GDP troitement li e, catalys e par des facteurs d' change de nucl otides de guanine (GEF). Parmi les nombreux GEF qui ont t identifi s dans le g nome humain, certains sont sp cifiques une GTPase individuelle de la famille Rho, tandis que d'autres semblent agir sur plusieurs membres de la famille. Les diff rents GEF sont limit s des tissus sp cifiques et m me des emplacements subcellulaires sp cifiques, et ils sont sensibles des types distincts d'entr es r gulatrices. Les GEF peuvent tre activ s par des signaux extracellulaires via des r cepteurs de surface cellulaire ou en r ponse des signaux intracellulaires. Les FEM peuvent galement servir d' chafaudages qui dirigent les GTPases vers les effecteurs en aval. Il est int ressant de noter que plusieurs GEF de la famille Rho s'associent aux extr mit s en croissance des microtubules en se liant l'un des +TIP. Cela permet d' tablir un lien entre la dynamique du cytosquelette des microtubules et l'organisation grande chelle du cytosquelette d'actine ; Une telle connexion est importante pour l'int gration globale de la forme et du mouvement des cellules. Les signaux externes peuvent dicter la direction de la migration cellulaire La chimiotaxie est le mouvement d'une cellule vers ou loin d'une source d'un produit chimique diffusible. Ces signaux externes agissent par l'interm diaire des prot ines de la famille Rho pour tablir une polarit cellulaire grande chelle en influen ant l'organisation de l'appareil de motilit cellulaire. Un exemple bien tudi est le mouvement chimiotactique d'une classe de globules blancs, appel s neutrophiles, vers une source d'infection bact rienne. Les prot ines r ceptrices la surface des neutrophiles leur permettent de d tecter de tr s faibles concentrations de peptides N-formyl s d riv s de prot ines bact riennes (seuls les procaryotes commencent la synth se des prot ines avec la N-formylm thionine). l'aide de ces r cepteurs, les neutrophiles sont guid s vers des cibles bact riennes par leur capacit d tecter une diff rence de seulement 1 % de la concentration de ces peptides diffusibles d'un c t de la cellule par rapport l'autre (Figure 16-86A). Dans ce cas, et dans la chimiotaxie des amibes Dictyostelium vers une source d'AMP cyclique, la liaison du chimioattractant son r cepteur coupl aux prot ines G active les phosphoinositides 3-kinases (PI3Ks) (voir Figure 15 52), qui g n rent une mol cule de signalisation [PI(3,4,5)P3] qui son tour active la GTPase Rac. Rac Figure 16 85 Les effets contrast s de l'activation de Rac et Rho sur l'organisation de l'actine. (A) L'activation de la petite GTPase Rac entra ne des alt rations des prot ines accessoires de l'actine qui tendent favoriser la formation de r seaux d'actine, comme dans les lamellipodes. Plusieurs voies diff rentes contribuent ind pendamment. Rac-GTP active les membres de la famille des prot ines WASp, qui leur tour activent la nucl ation de l'actine et la formation de toiles ramifi es par le complexe Arp 2/3. Dans une voie parall le, Rac-GTP active une prot ine kinase, PAK, qui a plusieurs cibles, dont la filamine, un agent de r ticulation formant une toile, qui est activ e par la phosphorylation, et la myosine kinase cha ne l g re (MLCK), qui est inhib e par la phosphorylation. L'inhibitio
Biologie moléculaire de la cellule	n de MLCK entra ne une diminution de la phosphorylation de la cha ne l g re r gulatrice de la myosine et entra ne un d sassemblage du filament de la myosine II et une diminution de l'activit contractile. Dans certaines cellules, PAK inhibe galement directement l'activit de la myosine II par phosphorylation de la cha ne lourde de la myosine (CMH). (B) L'activation de la GTPase Rho apparent e conduit la nucl ation des filaments d'actine par les formines et augmente la contraction par la myosine II, favorisant la formation de faisceaux d'actine contractiles tels que les fibres de stress. L'activation de la myosine II par Rho n cessite une prot ine kinase d pendante de Rho appel e Rock. Cette kinase inhibe la phosphatase qui limine les groupes phosphate activateurs des cha nes l g res de la myosine II (MLC) ; Il peut galement phosphoryler directement les cha nes l g res de myosine dans certains types de cellules. Rock active galement d'autres prot ines kinases, telles que la kinase LIM, qui son tour contribue la formation de faisceaux de filaments d'actine contractiles stables en inhibant le facteur de d polym risation de l'actine cofiline. Une voie de signalisation similaire est importante pour la formation de l'anneau contractile n cessaire la cytokin se (voir Figure 17 44). 5 m neutrophile Gi G12/13 Rho PI(3,4,5)P3 Rac Rac domine, polym risation (protrusion) Rho domine, contraction actine-myosine r cepteur chimioattractant bact rie arri re avant (A) (B) active ensuite le complexe Arp 2/3 conduisant la protrusion lamellipodiale. Par un m canisme inconnu, l'accumulation de la toile d'actine polaris e sur le bord d'attaque provoque une augmentation locale suppl mentaire de l'activit de PI3K dans une boucle de r troaction positive, renfor ant l'induction de la protrusion. Le PI(3,4,5)P3 qui active Rac ne peut pas diffuser loin de son site de synth se, car il est rapidement reconverti en PI(4,5)P2 par une phosphatase lipidique constitutivement active. Dans le m me temps, la liaison du ligand chimioattractant son r cepteur active une autre voie de signalisation qui active Rho et am liore la contractilit bas e sur la myosine. Les deux processus s'inhibent directement l'un l'autre, de sorte que l'activation de Rac domine l'avant de la cellule et l'activation de Rho domine l'arri re (Figure 16 86B). Cela permet la cellule de maintenir sa polarit fonctionnelle avec une saillie sur le bord d'attaque et une contraction l'arri re. Des signaux chimiques non diffusibles attach s la matrice extracellulaire ou la surface des cellules peuvent galement influencer la direction de la migration cellulaire. Lorsque ces signaux activent des r cepteurs, ils peuvent provoquer une augmentation de l'adh sion cellulaire et une polym risation dirig e de l'actine. La plupart des migrations cellulaires longue distance chez les animaux, y compris la migration des cellules neurales-cr te et les d placements des c nes de croissance neuronaux, d pendent d'une combinaison de signaux diffusibles et non diffusibles pour diriger les cellules locomotrices ou les c nes de croissance vers leurs v ritables destinations. Le cytosquelette interconnect est crucial pour la migration cellulaire. Bien que le mouvement soit principalement entra n par la polym risation de l'actine et la contractilit de la myosine, les septines et les filaments interm diaires y participent galement. Par exemple, les r seaux de filaments interm diaires de la vimentine s'associent aux int grines aux adh rences focales, et les fibroblastes d ficients en vimentine pr sentent une stabilit m canique, une migration et une capacit contractile alt r es. De plus, la perturbation des prot ines de liaison qui relient diff rents l ments du cytosquelette, y compris plusieurs plakins et prot ines KASH, entra ne des d fauts de polarisation et de migration cellulaires. Ainsi, les interactions entre les syst mes de filaments cytoplasmiques, ainsi que la liaison m canique au noyau, sont n cessaires pour des comportements complexes de cellules enti res tels que la migration. Les cellules utilisent galement des microtubules pour aider organiser des mouvements persistants dans une direction sp cifique. Dans de nombreuses cellules locomotrices, la position du centrosome est influenc e par l'emplacement de la polym risation de l'actine protrusive. L'activation des r cepteurs sur le bord avant saillant d'une cellule pourrait activer localement les prot ines motrices de la dyn ine qui d placent le centrosome en tirant sur ses microtubules. Plusieurs prot ines effectrices en aval de Rac et Rho modulent directement la dynamique des microtubules : par exemple, une prot ine kinase activ e par Rac peut phosphoryler (et donc inhiber) la prot ine stathmine de liaison la tubuline (voir panneau 16 4), stabilisant ainsi les microtubules. Figure 16 86 Polarisation des neutrophiles et chimiotaxie. (A) L'extr mit de la pipette droite laisse chapper une petit
Biologie moléculaire de la cellule	e quantit du peptide bact rien formyl-Met-Leu-Phe, qui est reconnu par les neutrophiles humains comme le produit d'un envahisseur tranger. Le neutrophile tend rapidement un nouveau lamellipodium vers la source du peptide chimioattractant (en haut). Il tend ensuite ce lamellipodium et polarise son cytosquelette de sorte que la myosine II contractile est situ e principalement l'arri re, l'oppos de la position du lamellipodium (au milieu). Enfin, la cellule rampe vers la source du peptide (en bas). Si une vraie bact rie tait l'origine du peptide, plut t que la pipette d'un enqu teur, le neutrophile engloutirait la bact rie et la d truirait (voir aussi la figure 16-3 et la vid o 16.14). (B) La liaison des mol cules bact riennes aux r cepteurs coupl s aux prot ines G sur le neutrophile stimule la motilit dirig e. Ces r cepteurs se trouvent sur toute la surface de la cellule, mais sont plus susceptibles d' tre li s au ligand bact rien l'avant. Deux voies de signalisation distinctes contribuent la polarisation de la cellule. l'avant de la cellule, la stimulation de la voie Rac conduit, via la prot ine trim rique G Gi, la croissance de r seaux d'actine protrusifs. Les seconds messagers de cette voie ont une courte dur e de vie, de sorte que la protrusion est limit e la r gion de la cellule la plus proche du stimulant. Le m me r cepteur stimule galement une deuxi me voie de signalisation, via les prot ines G trim riques G12 et G13, qui d clenche l'activation de Rho. Les deux voies sont mutuellement antagonistes. tant donn que la protrusion bas e sur Rac est active l'avant de la cellule, Rho n'est activ qu' l'arri re de la cellule, stimulant la contraction de la cellule arri re et aidant le mouvement dirig . (A, de O.D. Weiner et al., Nat. Cell Biol. 1:75-81, 1999. Avec l'autorisation de Macmillan Publishers Ltd.) leur tour, les microtubules influencent les r arrangements de l'actine et l'adh sion cellulaire. Le centrosome nucl e un grand nombre de microtubules dynamiques, et son repositionnement signifie que les extr mit s positives de bon nombre de ces microtubules s' tendent dans la r gion protub rante de la cellule. Les interactions directes avec les microtubules aident guider la dynamique d'adh sion focale dans les cellules en migration. Les microtubules pourraient galement influencer la formation de filaments d'actine en d livrant des Rac-GEF qui se lient aux +TIPs se d pla ant sur les extr mit s des microtubules en croissance. Les microtubules transportent galement des cargaisons vers et depuis les adh rences focales, affectant ainsi leur signalisation et leur d sassemblage. Ainsi, les microtubules renforcent l'information de polarit que le cytosquelette d'actine re oit du monde ext rieur, permettant une r ponse sensible aux signaux faibles et permettant la motilit de persister dans la m me direction pendant une p riode prolong e. Les mouvements des cellules enti res ainsi que la mise en forme et la structuration grande chelle des cellules n cessitent les activit s coordonn es des trois syst mes filamenteux de base ainsi qu'une grande vari t de prot ines accessoires du cytosquelette, y compris les prot ines motrices. La rampance cellulaire un comportement r pandu important dans le d veloppement embryonnaire ainsi que dans la cicatrisation des plaies, l'entretien des tissus et le fonctionnement du syst me immunitaire chez l'animal adulte est un excellent exemple d'une action cytosquelettique aussi complexe et coordonn e. Pour qu'une cellule rampe, elle doit g n rer et maintenir une polarit structurelle globale, qui est influenc e par des signaux externes. De plus, la cellule doit coordonner la saillie au bord d'attaque (par l'assemblage de nouveaux filaments d'actine), l'adh sion de la partie nouvellement saillante de la cellule au substrat et les forces g n r es par les moteurs mol culaires pour faire avancer le corps cellulaire. Quelles d clarations sont vraies ? Expliquez pourquoi ou pourquoi pas.16 1 Le r le de l'hydrolyse de l'ATP dans la polym risation de l'actine est similaire au r le de l'hydrolyse du GTP dans la tubuline Polym risation : les deux servent affaiblir les liaisons dans le polym re et favorisent ainsi la d polym risation. 16 2 Les motoneurones d clenchent des potentiels d'action dans les membranes cellulaires musculaires qui ouvrent des canaux Ca2+ sensibles au voltage dans les tubules T, permettant au Ca2+ extracellulaire de p n trer dans le cytosol, de se lier la troponine C et d'initier une contraction musculaire rapide. Dans la plupart des cellules animales, les moteurs de microtubules dirig s vers l'extr mit n gative livrent leur cargaison la p riph rie de la cellule, tandis que les moteurs de microtubules dirig s vers l'extr mit positive livrent leur cargaison l'int rieur de la cellule. Discutez des probl mes suivants. 16 4 La concentration d'actine dans les cellules est 50 100 fois sup rieure la concentration cri
Biologie moléculaire de la cellule	tique observ e pour l'actine pure dans un tube essai. Comment est-ce possible ? Qu'est-ce qui emp che les sous-unit s d'actine dans les cellules de polym riser en filaments ? Pourquoi est-il avantageux pour la cellule de maintenir un si grand nombre de sous-unit s d'actine ? 16 5 Des mesures d taill es de la longueur et de la tension du sarcom re pendant la contraction isom trique du muscle stri ont fourni un soutien pr coce crucial pour le filament glissant 2,0 2,2 1,6 1,3 I 3.6 Comment le cortex cellulaire est-il r gul localement et globalement pour coordonner ses activit s diff rents endroits de la surface cellulaire ? Qu'est-ce qui d termine, par exemple, o se forment les filopodes ? Comment les prot ines r gulatrices de l'actine sont-elles contr l es spatialement dans le cytoplasme pour g n rer plusieurs types distincts de puces d'actine dans la m me cellule ? Y a-t-il des processus biologiquement importants qui se produisent l'int rieur d'un microtubule ? Comment pouvons-nous expliquer le fait qu'il existe de nombreuses kin sines et myosines diff rentes dans le cytoplasme, mais une seule dyn ine ? Les mutations dans les prot ines de la lamine nucl aire provoquent un grand nombre de maladies appel es laminopathies. Qu'est-ce que nous ne comprenons pas sur la lame nucl aire qui pourrait expliquer ce fait ? Figure Q16 1 Tension en fonction de la longueur du sarcom re lors de la contraction isom trique (Probl me 16 5). mod le de contraction musculaire. Sur la base de votre compr hension du mod le du filament glissant et de la structure d'un sarcom re, proposez une explication mol culaire de la relation entre la tension et la longueur du sarcom re dans les parties de la figure Q16 1 marqu es I, II, III et IV. (Dans ce muscle, la longueur du filament de myosine est de 1,6 m et la longueur des filaments minces d'actine qui d passent des disques Z est de 1,0 m.) 16 6 1,4 mg/mL de tubuline pure, les microtubules se d veloppent un rythme d'environ 2 m/min. ce taux de croissance, combien de dim res d' -tubuline (8 nm de longueur) sont ajout s aux extr mit s d'un microtubule chaque seconde ? Figure Q16 2 Mod le de nucl ation des microtubules par des dim res d' -tubuline pure (probl me 16 7). 16 7 On pense qu'une solution de dim res d' -tubuline pure nucl e les microtubules en formant un protofilament lin aire d'environ sept dim res de longueur. ce stade, les probabilit s que le prochain -dim re se lie lat ralement ou l'extr mit du protofilament sont peu pr s gales. On pense que l' v nement critique pour la formation des microtubules est la premi re association lat rale (Figure Q16 2). Comment l'association lat rale favorise-t-elle la formation rapide d'un microtubule ? 16 8 Comment un centrosome sait-il quand il a trouv le centre de la cellule ? 16 9 Les mouvements de mol cules de prot ines motrices uniques peuvent tre analys s directement. En utilisant une lumi re laser polaris e, il est possible de cr er des motifs d'interf rence qui exercent une force dirig e centralement, allant de z ro au centre quelques piconewtons la p riph rie ( environ 200 nm du centre). Les mol cules individuelles qui entrent dans le motif d'interf rence sont rapidement pouss es vers le centre, ce qui permet de les capturer et de les d placer la discr tion de l'exp rimentateur. l'aide de ces pinces optiques , des mol cules de kin sine uniques peuvent tre positionn es sur un microtubule fix une lamelle. Bien qu'une seule mol cule de kin sine ne puisse pas tre vue optiquement, elle peut tre marqu e avec une bille de silice et suivie indirectement en suivant la bille (Figure Q16 3A). En l'absence d'ATP, la mol cule de kin sine reste au centre du motif d'interf rence, mais avec l'ATP, elle se d place vers l'extr mit positive du microtubule. Lorsque la kin sine se d place le long du microtubule, elle rencontre la force du motif d'interf rence, qui simule la charge que la kin sine porte pendant sa fonction r elle dans la cellule. De plus, la pression contre la bille de silice contrecarre les effets du mouvement brownien (thermique), de sorte que la position de la bille refl te plus pr cis ment la position de la mol cule de kin sine sur le microtubule. Une trace des mouvements d'une mol cule de kin sine le long d'un microtubule est illustr e la figure Q16 3B. Un. Comme le montre la figure Q16-3B, tout le mouvement de la kin sine se fait dans une direction (vers l'extr mit positive du microtubule). Qu'est-ce qui fournit l' nergie gratuite n cessaire pour assurer un mouvement unidirectionnel le long du microtubule ? b.Quelle est la vitesse moyenne de mouvement de la kin sine le long du microtubule ? C.Quelle est la longueur de chaque pas qu'une kin sine fait lorsqu'elle se d place le long d'un microtubule ? D. D'autres tudes ont montr que la kin sine poss de deux domaines globulaires qui peuvent chacun se lier la -tubuline, et que la kin sine se d place le long d'un se
Biologie moléculaire de la cellule	ul protofilament dans un microtubule. Dans chaque protofilament, la sous-unit -tubuline se r p te des intervalles de 8 nm. tant donn la longueur du pas et l'intervalle entre les sous-unit s de -tubuline, comment supposez-vous qu'une mol cule de kin sine se d place le long d'un microtubule ? E. Y a-t-il quelque chose dans les donn es de la figure Q16-3B qui vous indique combien de mol cules d'ATP sont hydrolys es par tape ? 16 10 Une mitochondrie de 1 m de long peut parcourir 1 m tre de longueur de l'axone, de la moelle pini re au gros orteil, en une journ e. Le record olympique masculin de natation libre sur 200 m tres est de 1,75 minute. En termes de longueur du corps par jour, qui se d place le plus vite : la mitochondrie ou le d tenteur du record olympique ? (Supposons que le nageur mesure 2 m tres.) 16 11 La cofiline se lie pr f rentiellement aux filaments d'actine plus anciens et favorise leur d sassemblage. Comment la cofiline distingue-t-elle les anciens filaments des nouveaux ? 16 12 Pourquoi les filaments interm diaires ont-ils des extr mit s identiques et n'ont pas de polarit , alors que les filaments d'actine et les microtubules ont deux extr mit s distinctes avec une polarit d finie ? 16 13 Comment le mouvement unidirectionnel d'un lamellipodium est-il maintenu ? Figure Q16 3 Mouvement de la kin sine le long d'un microtubule (Probl me 16 9). (A) Dispositif exp rimental, avec de la kin sine li e une bille de silice, se d pla ant le long d'un microtubule. (B) Position de la kin sine (telle que visualis e par la position de la bille de silice) par rapport au centre du motif d'interf rence, en fonction du temps de mouvement le long du microtubule. La nature dentel e de la trace r sulte du mouvement brownien de la perle. Bray D (2001) Mouvements cellulaires : des mol cules la motilit , 2e d. New York : Garland Science. Howard J (2001) M canique des prot ines motrices et du cytosquelette. Sunderland, MA : Sinauer. Kavallaris M (2012) Cytosquelette et maladie humaine. New York : Springer, Humana Press. Fonction et origine du cytosquelette Garner EC, Bernard R, Wang W et al. (2011) Mouvements circonf rentiels coupl s de la machinerie de synth se de la paroi cellulaire et des filaments MreB chez B. subtilis. Science 333, 222 225. Garner EC, Campbell CS & Mullins RD (2004) Instabilit dynamique dans un homologue d'actine procaryote s gr gation de l'ADN. Science 306, 1021 1025. Hill, TL & Kirschner, MW (1982) Bio nerg tique et cin tique de l'assemblage-d sassemblage des microtubules et des filaments d'actine. Int. Rev. Cytol. 78, 1 125. Jones LJ, Carballido-L pez R & Errington J (2001) Contr le de la forme cellulaire chez les bact ries : filaments h lico daux, semblables l'actine chez Bacillus subtilis. Cellule 104, 913 922. Luby-Phelps K (2000) Cytoarchitecture et propri t s physiques du cytoplasme : volume, viscosit , diffusion, surface intracellulaire. Int. Rev. Cytol. 192, 189 221. Oosawa F & Asakura S (1975) Thermodynamique de la polym risation des prot ines, pp. 41-55 et 90-108. New York : Presse acad mique. Osawa M, Anderson DE & Erickson HP (2009) Les protofilaments FtsZ incurv s g n rent des forces de flexion sur les membranes liposomiques. EMBO J. 28, 3476 3484. Pauling L (1953) Agr gation de prot ines globulaires. Discuter. Faraday Soc. 13, 170 176. Purcell EM (1977) La vie faible nombre de Reynolds. Am. J. Phys. 45, 3 11. Theriot JA (2013) Pourquoi les bact ries sont-elles diff rentes des eucaryotes ? BMC Biol. 11, 119. Fehon RG, McClatchey AI & Bretscher A (2010) Organisation du cortex cellulaire : le r le des prot ines ERM. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 11, 276 287. Mullins RD, Heuser JA & Pollard TD (1998) L'interaction du complexe Arp2/3 avec l'actine : nucl ation, couronnement d'extr mit pointue de haute affinit et formation de r seaux de ramification de filaments. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 95, 6181 6186. Zigmond SH (2004) Nucl ation des filaments d'actine induite par la formine. Curr. Opin. Biol. cellulaire 16, 99 105. Cooke R (2004) Le mod le filament coulissant : 1972-2004. J. Gen. Physiol. 123, 643 656. Hammer JA 3rd & Sellers JR (2011) Marcher pour aller au travail : r les des myosines de classe V en tant que transporteurs de marchandises. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 13, 13 26. Howard J (1997) Moteurs mol culaires : adaptations structurelles aux fonctions cellulaires. Nature 389, 561 567. Rice S, Lin AW, Safer D et al. (1999) Un changement structurel dans la prot ine motrice de la kin sine qui entra ne la motilit . Nature 402, 778 784. Vikstrom KL & Leinwand LA (1996) Mutations des prot ines contractiles et maladies cardiaques. Curr. Opin. Cell Biol. 8, 97 105. Wells AL, Lin AW, Chen LQ et al. (1999) La myosine VI est un moteur base d'actine qui se d place vers l'arri re. Nature 401, 505 508. Yildiz A, Forkey JN, McKinney SA et al. (2003) La myosine V se prom ne main dans la main : imagerie fluorophore uniq
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Biologie moléculaire de la cellule	ion cellulaire produit un nouvel organisme complet. Chez les esp ces multicellulaires, des s quences longues et complexes de divisions cellulaires sont n cessaires pour produire un organisme fonctionnel. M me dans le corps adulte, la division cellulaire est g n ralement n cessaire pour remplacer les cellules qui meurent. En fait, chacun d'entre nous doit fabriquer des millions de cellules chaque seconde simplement pour survivre : si toute division cellulaire tait arr t e par l'exposition une tr s forte dose de rayons X, par exemple nous mourrions en quelques jours. Les d tails du cycle cellulaire varient d'un organisme l'autre et diff rents moments de la vie d'un organisme. Certaines caract ristiques sont cependant universelles. Au minimum, la cellule doit accomplir sa t che la plus fondamentale : la transmission de son information g n tique la g n ration suivante de cellules. Pour produire deux cellules filles g n tiquement identiques, l'ADN de chaque chromosome doit d'abord tre fid lement r pliqu pour produire deux copies compl tes. Les chromosomes r pliqu s doivent ensuite tre distribu s avec pr cision (s gr gu s) aux deux cellules filles, de sorte que chacune re oive une copie de l'int gralit du g nome (Figure 17 1). En plus de dupliquer leur g nome, la plupart des cellules dupliquent galement leurs autres organites et macromol cules ; Sinon, les cellules filles deviendraient plus petites chaque division. Pour maintenir leur taille, les cellules en division doivent coordonner leur croissance (c'est- -dire leur augmentation de masse cellulaire) avec leur division. Ce chapitre d crit les v nements du cycle cellulaire et la fa on dont ils sont contr l s et coordonn s. Nous commen ons par un bref aper u du cycle cellulaire. Nous d crivons ensuite le syst me de contr le du cycle cellulaire, un r seau complexe de prot ines r gulatrices qui d clenche les diff rents v nements du cycle. Nous examinerons ensuite en d tail les principales tapes du cycle cellulaire, au cours desquelles les chromosomes sont dupliqu s puis s gr gu s dans les deux cellules filles. Enfin, nous examinons comment les signaux extracellulaires r gissent les taux de croissance et de division cellulaires et comment ces deux processus sont coordonn s. La fonction la plus fondamentale du cycle cellulaire est de dupliquer la grande quantit d'ADN dans les chromosomes, puis de s parer les copies en deux cellules filles g n tiquement identiques. Ces processus d finissent les deux grandes phases du cycle cellulaire. La duplication chromosomique se produit pendant la phase S (S pour synth se de l'ADN), qui n cessite 10 12 heures et occupe environ la moiti du temps du cycle cellulaire dans une cellule de mammif re typique. Apr s la phase S, la s gr gation chromosomique et la division cellulaire se produisent en phase M (M pour mitose), qui n cessite beaucoup moins de temps (moins d'une heure dans une cellule de mammif re). La phase M comprend deux v nements majeurs : la division nucl aire, ou mitose, au cours de laquelle les chromosomes copi s sont distribu s en une paire de noyaux filles ; et la division cytoplasmique, ou cytokin se, lorsque la cellule elle-m me se divise en deux (Figure 17 2). la fin de la phase S, les mol cules d'ADN de chaque paire de chromosomes dupliqu s sont entrelac es et maintenues troitement ensemble par des liaisons prot iques sp cialis es. Au d but de la mitose, un stade appel prophase, les deux mol cules d'ADN sont progressivement d m l es et condens es en paires de b tonnets rigides et compacts appel s chromatides s urs, qui restent li es par une coh sion de chromatides s urs. Lorsque l'enveloppe nucl aire se d sassemble plus tard dans la mitose, les paires de chromatides s urs se fixent au fuseau mitotique, un r seau bipolaire g ant de microtubules (discut au chapitre 16). Les chromatides s urs sont attach es aux p les oppos s du fuseau et, finalement, s'alignent l' quateur du fuseau dans une tape appel e m taphase. La destruction de la coh sion des chromatides s urs au d but de l'anaphase s pare les chromatides s urs, qui sont attir es vers les p les oppos s du fuseau. Le fuseau est ensuite d sassembl et les chromosomes s par s sont emball s dans des noyaux s par s en phase de t lophase. La cytokin se divise ensuite la cellule en deux, de sorte que chaque cellule fille h rite de l'un des deux noyaux (Figure 17 3). Le cycle cellulaire eucaryote se compose g n ralement de quatre phases La plupart des cellules ont besoin de beaucoup plus de temps pour se d velopper et doubler leur masse de prot ines et d'organites qu'elles n'en ont besoin pour dupliquer leurs chromosomes et se diviser. En partie pour laisser le temps la croissance, la plupart des cycles cellulaires ont des phases d' cart une phase G1 entre la phase M et la phase S et une phase G2 entre la phase S et la mitose. Ainsi, le cycle cellulaire eucaryote est traditionnellement divis en quatre phases s quentielles
Biologie moléculaire de la cellule	: G1, S, G2 et M. G1, S et G2 sont appel s interphases (Figure 17-4 et voir Figure 17-3). Dans une cellule humaine typique prolif rant en culture, l'interphase peut occuper 23 heures d'un cycle de 24 heures, avec 1 heure pour la phase M. La croissance cellulaire se produit tout au long du cycle cellulaire, sauf pendant la mitose. Les deux phases d' cart sont plus que de simples retards pour permettre la croissance cellulaire. Ils permettent galement la cellule de surveiller l'environnement interne et externe Figure 17 2 Les principaux v nements du cycle cellulaire. Les principaux v nements chromosomiques du cycle cellulaire se produisent en phase s, lorsque les chromosomes sont dupliqu s, et en phase m, lorsque les chromosomes dupliqu s sont s par s en une paire de noyaux filles (en mitose), apr s quoi la cellule elle-m me se divise en deux (cytokin se). Figure 17 1 Le cycle cellulaire. La division d'une cellule eucaryote hypoth tique avec deux chromosomes (un rouge et un noir) est montr e pour illustrer comment deux cellules filles g n tiquement identiques sont produites dans chaque cycle. Chacune des cellules filles continuera souvent se diviser en passant par des cycles cellulaires suppl mentaires. Figure 17 3 Les v nements de la division cellulaire eucaryote vus au microscope. Les processus facilement visibles de division nucl aire (mitose) et de division cellulaire (cytokin se), collectivement appel s phase m, n'occupent g n ralement qu'une petite fraction du cycle cellulaire. L'autre partie du cycle, beaucoup plus longue, est connue sous le nom d'interphase, qui comprend la phase s et les phases d' cart (discut es dans le texte). Les cinq tapes de la mitose sont repr sent es : un changement brusque de l' tat biochimique de la cellule se produit lors de la transition de la m taphase l'anaphase. Une cellule peut faire une pause en m taphase avant ce point de transition, mais une fois qu'elle a d pass ce point, la cellule continue jusqu' la fin de la mitose et travers la cytokin se dans l'interphase. pour s'assurer que les conditions sont propices et que les pr parations sont termin es avant que la cellule ne s'engage dans les grands bouleversements de la phase S et de la mitose. La phase G1 est particuli rement importante cet gard. Sa longueur peut varier consid rablement en fonction des conditions externes et des signaux extracellulaires provenant d'autres cellules. Si les conditions extracellulaires sont d favorables, par exemple, les cellules retardent la progression de G1 et peuvent m me entrer dans un tat de repos sp cialis connu sous le nom de G0 (G z ro), dans lequel elles peuvent rester pendant des jours, des semaines, voire des ann es avant de reprendre leur prolif ration. En effet, de nombreuses cellules restent en permanence en G0 jusqu' ce qu'elles ou l'organisme meurent. Si les conditions extracellulaires sont favorables et que des signaux de croissance et de division sont pr sents, les cellules au d but de G1 ou G0 progressent travers un point d'engagement vers la fin de G1 connu sous le nom de Start (chez les levures) ou le point de restriction (chez les cellules de mammif res). Nous utiliserons le terme Start pour les cellules de levure et les cellules animales. Apr s avoir d pass ce point, les cellules sont engag es dans la r plication de l'ADN, m me si les signaux extracellulaires qui stimulent la croissance et la division cellulaires sont supprim s. Certaines caract ristiques du cycle cellulaire, y compris le temps n cessaire pour r aliser certains v nements, varient consid rablement d'un type de cellule l'autre, m me dans un m me organisme. L'organisation de base du cycle, cependant, est essentiellement la m me chez tous les eucaryotes Figure 17 4 Les quatre phases du cycle cellulaire. Dans la plupart des cellules, les phases d' cart s parent les v nements majeurs de la phase s et de la phase m. G1 est l' cart entre la phase M et la phase S, tandis que G2 est l' cart entre la phase S et la phase M. Figure 17 5 Prolif ration de cellules de mammif res en culture. Les cellules de cette micrographie lectronique balayage sont des fibroblastes de rat. Les cellules en bas gauche ont t arrondies vers le haut et sont en mitose. (Avec l'aimable autorisation de guenter albrecht-Buehler.) cellules, et tous les eucaryotes semblent utiliser des machines et des m canismes de contr le similaires pour conduire et r guler les v nements du cycle cellulaire. Les prot ines du syst me de contr le du cycle cellulaire, par exemple, sont apparues pour la premi re fois il y a plus d'un milliard d'ann es. Remarquablement, ils ont t si bien conserv s au cours de l' volution que beaucoup d'entre eux fonctionnent parfaitement lorsqu'ils sont transf r s d'une cellule humaine une cellule de levure. Nous pouvons donc tudier le cycle cellulaire et sa r gulation dans une vari t d'organismes et utiliser les r sultats de chacun d'entre eux pour assembler une image unif
Biologie moléculaire de la cellule	i e de la fa on dont les cellules eucaryotes se divisent. Plusieurs organismes mod les sont utilis s dans l'analyse du cycle cellulaire eucaryote. La levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae et la levure fission Schizosaccharomyces pombe sont de simples eucaryotes chez lesquels de puissantes approches mol culaires et g n tiques peuvent tre utilis es pour identifier et caract riser les g nes et les prot ines qui r gissent les caract ristiques fondamentales de la division cellulaire. Les embryons pr coces de certains animaux, en particulier ceux de la grenouille Xenopus laevis, sont d'excellents outils pour la dissection biochimique des m canismes de contr le du cycle cellulaire, tandis que la mouche des fruits Drosophila melanogaster est utile pour l'analyse g n tique des m canismes sous-jacents au contr le et la coordination de la croissance et de la division cellulaires dans les organismes multicellulaires. Les cellules humaines cultiv es constituent un excellent syst me pour l'exploration mol culaire et microscopique des processus complexes par lesquels nos propres cellules se divisent. Comment pouvons-nous savoir quel stade une cellule a atteint dans le cycle cellulaire ? L'une d'entre elles consiste simplement observer des cellules vivantes au microscope. Un coup d' il une population de cellules de mammif res prolif rant en culture r v le qu'une fraction des cellules ont t arrondies et sont en mitose (Figure 17 5). D'autres peuvent tre observ es dans le processus de cytokin se. De m me, il est tr s utile d'examiner les cellules de levure bourgeonnantes au microscope, car la taille du bourgeon fournit une indication de l' tape du cycle cellulaire (Figure 17 6). Nous pouvons obtenir des indices suppl mentaires sur la position du cycle cellulaire en colorant les cellules avec des colorants fluorescents liant l'ADN (qui r v lent la condensation des chromosomes lors de la mitose) ou avec des anticorps qui reconnaissent des composants cellulaires sp cifiques tels que les microtubules (r v lant le fuseau mitotique). Les cellules de la phase S peuvent tre identifi es au microscope en leur fournissant des mol cules visualisables qui sont incorpor es dans l'ADN nouvellement synth tis , telles que l'analogue artificiel de la thymidine bromodeoxyuridine (BrdU) ; les noyaux cellulaires qui ont incorpor BrdU sont ensuite r v l s par coloration avec des anticorps anti-BrdU (Figure 17 7). Typiquement, dans une population de cellules de mammif res en culture qui prolif rent toutes rapidement mais de mani re asynchrone, environ 30 40 % seront en phase S tout instant et seront marqu s par une br ve impulsion de BrdU. partir de la proportion de cellules d'une telle population qui sont tiquet es, nous pouvons estimer la dur e de la phase S comme une fraction de la dur e totale du cycle cellulaire. De m me, partir de la proportion de cellules en mitose (l'indice mitotique), on peut estimer la dur e de la phase M. Une autre fa on d' valuer le stade qu'une cellule a atteint dans le cycle cellulaire est de mesurer son contenu en ADN, qui double pendant la phase S. Cette approche est grandement facilit e par l'utilisation de colorants fluorescents de liaison l'ADN et d'un cytom tre en flux, qui permet l'analyse rapide et automatique d'un grand nombre de cellules (Figure 17 8). Nous pouvons utiliser la cytom trie en flux pour d terminer les longueurs des phases G1, S et G2 + M, en mesurant le contenu de l'ADN dans une population cellulaire synchronis e au fur et mesure de sa progression dans le cycle cellulaire. Figure 17 6 La morphologie des cellules de levure en bourgeonnement. Dans une population normale de cellules de levure en prolif ration, la taille des bourgeons varie en fonction de l' tape du cycle cellulaire. Les cellules non bourgeonn es sont en g1. La progression travers la transition de d part d clenche la formation d'un minuscule bourgeon, qui augmente en taille pendant les phases S et M jusqu' ce qu'il atteigne presque la taille de la cellule m re. (Avec l'aimable autorisation de Jeff Ubersax.) 20 m Figure 17 7 Marquage des cellules en phase S. une micrographie d'immunofluorescence de cellules pith liales de l'intestin du poisson-z bre marqu es par BrdU. Le poisson a t expos BrdU, apr s quoi le tissu a t fix et pr par pour le marquage avec des anticorps fluorescents anti-BrdU (vert). Toutes les cellules sont color es avec un colorant fluorescent rouge. (Avec l'aimable autorisation de C cile Crosnier.) La division cellulaire commence g n ralement par la duplication du contenu de la cellule, suivie de la distribution de ce contenu en deux cellules filles. La duplication chromosomique se produit pendant la phase S du cycle cellulaire, alors que la plupart des autres composants cellulaires sont dupliqu s en continu tout au long du cycle. Au cours de la phase M, les chromosomes r pliqu s sont s par s en noyaux individuels (mitose), puis la cellule se divise en deux
Biologie moléculaire de la cellule	(cytokin se). La phase S et la phase M sont g n ralement s par es par des phases d' cart appel es G1 et G2, lorsque divers signaux intracellulaires et extracellulaires r gulent la progression du cycle cellulaire. L'organisation et le contr le du cycle cellulaire ont t hautement conserv s au cours de l' volution, et des tudes dans un large ventail de syst mes ont conduit une vision unifi e du contr le du cycle cellulaire eucaryote. Pendant de nombreuses ann es, les biologistes cellulaires ont regard le spectacle de marionnettes de la synth se de l'ADN, de la mitose et de la cytokin se, mais n'avaient aucune id e de ce qui se cachait derri re le rideau contr lant ces v nements. Il n' tait m me pas clair s'il y avait un syst me de contr le s par , ou si les processus de synth se de l'ADN, de mitose et de cytokin se se contr laient d'une mani re ou d'une autre. Une perc e majeure a eu lieu la fin des ann es 1980 avec l'identification des prot ines cl s du syst me de contr le, ainsi que la prise de conscience qu'elles sont distinctes des prot ines qui effectuent les processus de r plication de l'ADN, de s gr gation des chromosomes, etc. Dans cette section, nous examinerons d'abord les principes de base sur lesquels fonctionne le syst me de contr le du cycle cellulaire. Nous discutons ensuite des composants prot iques du syst me et de la fa on dont ils travaillent ensemble pour chronom trer et coordonner les v nements du cycle cellulaire. Le syst me de contr le du cycle cellulaire d clenche les v nements majeurs du cycle cellulaire Le syst me de contr le du cycle cellulaire fonctionne un peu comme une minuterie qui d clenche les v nements du cycle cellulaire dans une s quence d finie (Figure 17 9). Dans sa forme la plus simple, comme on le voit dans les cycles cellulaires d pouill s des embryons animaux pr coces, par exemple, le syst me de contr le est programm de mani re rigide pour fournir une dur e fixe pour l'ach vement de chaque v nement du cycle cellulaire. Le syst me de contr le dans ces divisions embryonnaires pr coces est ind pendant des v nements qu'il contr le, de sorte que ses m canismes de synchronisation continuent de fonctionner m me si ces v nements chouent. Dans la plupart des cellules, cependant, le syst me de contr le r agit aux informations re ues des processus qu'il contr le. Si un dysfonctionnement emp che la synth se de l'ADN, par exemple, des signaux sont envoy s au syst me de contr le pour retarder la progression vers la phase M. De tels retards donnent le temps la machinerie d' tre r par e et permettent galement d' viter le d sastre qui pourrait survenir si le cycle progressait pr matur ment vers l' tape suivante et s gr guait les chromosomes incompl tement r pliqu s, par exemple. Le syst me de contr le du cycle cellulaire est bas sur une s rie connect e d'interrupteurs biochimiques, chacun d'entre eux d clenchant un v nement sp cifique du cycle cellulaire. Ce syst me d'interrupteurs poss de de nombreuses caract ristiques importantes qui augmentent la pr cision et la fiabilit de la progression du cycle cellulaire. Tout d'abord, les commutateurs sont g n ralement binaires (on/off) et lancent les v nements de mani re compl te et irr versible. Il serait clairement d sastreux, par exemple, que des v nements tels que la condensation des chromosomes ou la rupture de l'enveloppe nucl aire ne soient que partiellement initi s ou commenc s mais ne soient pas termin s. Deuxi mement, le syst me de contr le du cycle cellulaire est remarquablement robuste et fiable, en partie parce que les m canismes de secours et d'autres caract ristiques permettent au syst me de fonctionner efficacement dans diverses conditions et m me si certains composants tombent en panne. Enfin, le syst me de contr le est hautement adaptable et peut tre modifi pour s'adapter des types de cellules sp cifiques ou pour r pondre des signaux intracellulaires ou extracellulaires sp cifiques. nombre de cellules 012 quantit relative d'ADN par cellule Figure 17 8 Analyse du contenu en ADN l'aide d'un cytom tre en flux. Ce graphique montre les r sultats typiques obtenus pour une population cellulaire en prolif ration lorsque la teneur en ADN de ses cellules individuelles est d termin e dans un cytom tre en flux. (un cytom tre en flux, galement appel trieur de cellules activ par fluorescence, ou FaCs, peut galement tre utilis pour trier les cellules en fonction de leur fluorescence voir Figure 8-2). Les cellules analys es ici ont t color es avec un colorant qui devient fluorescent lorsqu'il se lie l'ADN, de sorte que la quantit de fluorescence est directement proportionnelle la quantit d'ADN dans chaque cellule. Les cellules se r partissent en trois cat gories : celles qui ont un compl ment d'ADN non r pliqu et sont donc en g1, celles qui ont un compl ment d'ADN enti rement r pliqu (deux fois le contenu en ADN g1) et sont en phase g2 ou m, et celles qui ont une quantit interm d
Biologie moléculaire de la cellule	iaire d'ADN et sont en phase s. La distribution des cellules indique qu'il y a un plus grand nombre de cellules dans la phase g1 que dans la phase g2 + m, ce qui montre que g1 est plus long que g2 + m dans cette population. Tous les chromosomes sont-ils attach s au fuseau ? Tout l'ADN est-il r pliqu ? L'environnement est-il favorable ? G2 M S Contr leur G1 ENTRER DANS LA MITOSE D CLENCHER L'ANAPHASE ET PASSER LA CYTOKIN SE ENTRER DANS LE CYCLE CELLULAIRE ET PASSER LA PHASE S D BUT DE LA TRANSITION L'ENVIRONNEMENT EST-IL FAVORABLE ? G2/M TRANSITION Dans la plupart des cellules eucaryotes, le syst me de contr le du cycle cellulaire r git la progression du cycle cellulaire trois transitions r gulatrices majeures (voir Figure 17-9). Le premier est Start (ou le point de restriction) la fin de G1, o la cellule s'engage dans l'entr e dans le cycle cellulaire et la duplication chromosomique. La seconde est la transition G2/M, o le syst me de contr le d clenche les v nements mitotiques pr coces qui conduisent l'alignement des chromosomes sur le fuseau mitotique en m taphase. La troisi me est la transition m taphase-anaphase, o le syst me de contr le stimule la s paration des chromatides s urs, conduisant l'ach vement de la mitose et de la cytokin se. Le syst me de contr le bloque la progression travers chacune de ces transitions s'il d tecte des probl mes l'int rieur ou l'ext rieur de la cellule. Si le syst me de contr le d tecte des probl mes lors de la r plication de l'ADN, par exemple, il maintiendra la cellule la transition G2/M jusqu' ce que ces probl mes soient r solus. De m me, si les conditions extracellulaires ne sont pas appropri es pour la prolif ration cellulaire, le syst me de contr le bloque la progression par Start, emp chant ainsi la division cellulaire jusqu' ce que les conditions deviennent favorables. Le syst me de contr le du cycle cellulaire d pend de prot ines kinases d pendantes des cyclines (Cdk) activ es cycliquement Les composants centraux du syst me de contr le du cycle cellulaire sont membres d'une famille de prot ines kinases connues sous le nom de kinases d pendantes des cyclines (Cdk). Les activit s de ces kinases augmentent et diminuent au fur et mesure que la cellule progresse dans le cycle, entra nant des changements cycliques dans la phosphorylation des prot ines intracellulaires qui initient ou r gulent les v nements majeurs du cycle cellulaire. Une augmentation de l'activit Cdk la transition G2/M, par exemple, augmente la phosphorylation des prot ines qui contr lent la condensation des chromosomes, la d gradation de l'enveloppe nucl aire, l'assemblage du fuseau et d'autres v nements qui se produisent au d but de la mitose. Les changements cycliques de l'activit de Cdk sont contr l s par un ensemble complexe d'enzymes et d'autres prot ines. Les plus importants de ces r gulateurs Cdk sont des prot ines connues sous le nom de cyclines. Les CDK, comme leur nom l'indique, d pendent des cyclines pour leur activit : moins qu'elles ne soient troitement li es une cycline, elles n'ont pas d'activit prot ique kinase (Figure 17 10). Les cyclines ont t nomm es l'origine parce qu'elles subissent un cycle de synth se et de d gradation chaque cycle cellulaire. Les niveaux de prot ines Cdk, en revanche, sont constants. Les changements cycliques dans les niveaux de prot ines cyclines entra nent l'assemblage cyclique et l'activation des complexes cycline-Cdk des tapes sp cifiques du cycle cellulaire. Figure 17 9 Le contr le du cycle cellulaire. Un syst me de contr le du cycle cellulaire d clenche les processus essentiels du cycle, tels que la r plication de l'ADN, la mitose et la cytokin se. Le syst me de commande est repr sent ici par un bras central (le contr leur) qui tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, d clenchant des processus essentiels lorsqu'il atteint des transitions sp cifiques sur le cadran ext rieur (cases jaunes). Les informations sur l'ach vement des v nements du cycle cellulaire, ainsi que les signaux de l'environnement, peuvent amener le syst me de contr le arr ter le cycle ces transitions. Figure 17 10 Deux composants cl s du syst me de contr le du cycle cellulaire. Lorsque la cycline forme un complexe avec Cdk, la prot ine kinase est activ e pour d clencher des v nements sp cifiques du cycle cellulaire. Sans cycline, Cdk est inactif. Il existe quatre classes de cyclines, chacune d finie par l' tape du cycle cellulaire laquelle elles se lient aux Cdk et fonctionnent. Toutes les cellules eucaryotes ont besoin de trois de ces classes (Figure 17 11) : 1. Les cyclines G1/S activent les Cdks la fin de G1 et aident ainsi d clencher la progression au cours de Start, ce qui entra ne un engagement envers l'entr e dans le cycle cellulaire. Leurs niveaux tombent en phase S. 2. Les s-cyclines se lient aux Cdks peu de temps apr s la progression au cours de Start et aident stimuler la duplication chromos
Biologie moléculaire de la cellule	omique. Les niveaux de S-cycline restent lev s jusqu' la mitose, et ces cyclines contribuent galement au contr le de certains v nements mitotiques pr coces. 3. Les cyclines M activent les Cdk qui stimulent l'entr e en mitose la transition G2/M. Les taux de M-cycline chutent au milieu de la mitose. Dans la plupart des cellules, une quatri me classe de cyclines, les cyclines G1, aide r gir les activit s des cyclines G1/S, qui contr lent la progression jusqu' Start la fin de G1. Dans les cellules de levure, une seule prot ine Cdk se lie toutes les classes de cyclines et d clenche diff rents v nements du cycle cellulaire en changeant de partenaire cycline diff rentes tapes du cycle. Dans les cellules de vert br s, en revanche, il y a quatre Cdk. Deux interagissent avec les cyclines G1, l'un avec les S-cyclines G1/Sand et l'autre avec les M cyclines Sable. Dans ce chapitre, nous nous r f rons simplement aux diff rents complexes cycline-Cdk comme G1-Cdk, G1/S-Cdk, S-Cdk et M-Cdk. Le tableau 17-1 r pertorie les noms des Cdk et des cyclines individuelles. Comment diff rents complexes cycline-Cdk d clenchent-ils diff rents v nements du cycle cellulaire ? La r ponse, du moins en partie, semble tre que la prot ine cycline n'active pas simplement son partenaire Cdk, mais le dirige galement vers des prot ines cibles sp cifiques. En cons quence, chaque complexe cycline-Cdk phosphoryle un ensemble diff rent de prot ines de substrat. Le m me complexe cycline-Cdk peut galement induire des effets diff rents diff rents moments du cycle, probablement parce que l'accessibilit de certains substrats Cdk change au cours du cycle cellulaire. Certaines prot ines qui fonctionnent en mitose, par exemple, peuvent ne devenir disponibles pour la phosphorylation qu'en G2. Figure 17 11 Complexes Cycline-Cdk du syst me de contr le du cycle cellulaire. Les concentrations des trois principaux types de cyclines oscillent au cours du cycle cellulaire, tandis que les concentrations de Cdks (non repr sent es) ne changent pas et d passent les quantit s de cyclines. la fin de g1, l'augmentation des niveaux de g1/s-cycline conduit la formation de complexes g1/s-Cdk qui d clenchent la progression travers la transition de d part. Les complexes s-Cdk se forment au d but de la phase s et d clenchent la r plication de l'ADN, ainsi que certains v nements mitotiques pr coces. Les complexes m-Cdk se forment au cours de g2 mais sont maintenus dans un tat inactif ; Ils sont activ s la fin de G2 et d clenchent l'entr e en mitose la transition G2/M. un complexe prot ique r gulateur distinct, l'apC/C, initie la transition m taphase-toanaphase, comme nous le verrons plus loin. L' tude des structures tridimensionnelles des prot ines Cdk et cycline a r v l qu'en l'absence de cycline, le site actif de la prot ine Cdk est partiellement obscurci par une boucle prot ique, comme une pierre bloquant l'entr e d'une grotte (Figure 17-12A). La liaison la cycline loigne la boucle du site actif, ce qui entra ne une activation partielle de l'enzyme Cdk (Figure 17-12B). L'activation compl te du complexe cycline-Cdk se produit alors lorsqu'une kinase distincte, la kinase activatrice de Cdk (CAK), phosphoryle un acide amin pr s de l'entr e du site actif de Cdk. Cela provoque un petit changement conformationnel qui augmente encore l'activit du Cdk, permettant la kinase de phosphoryler efficacement ses prot ines cibles et d'induire ainsi des v nements sp cifiques du cycle cellulaire (Figure 17 12C). L'augmentation et la baisse des niveaux de cyclines sont le principal d terminant de l'activit de Cdk au cours du cycle cellulaire. Cependant, plusieurs m canismes suppl mentaires aident contr ler l'activit de Cdk des tapes sp cifiques du cycle. La phosphorylation d'une paire d'acides amin s dans le toit du site actif de la kinase inhibe l'activit d'un complexe cycline-Cdk. La phosphorylation de ces sites par une prot ine kinase connue sous le nom de Wee1 inhibe l'activit de Cdk, tandis que la d phosphorylation de ces sites par une phosphatase connue sous le nom de Cdc25 augmente l'activit de Cdk (Figure 17 13). Nous verrons plus loin que ce m canisme de r gulation est particuli rement important dans le contr le de l'activit de M-Cdk au d but de la mitose. La liaison des prot ines inhibitrices de Cdk (CKI) inactive les complexes cycline-Cdk. La structure tridimensionnelle d'un complexe cycline-Cdk-CKI r v le que la liaison de CKI stimule un r arrangement important de la structure du site actif Cdk, le rendant inactif (Figure 17 14). Les cellules utilisent les CKI principalement pour aider gouverner les activit s des S-Cdk G1/Sand au d but du cycle cellulaire. La prot olyse r gul e d clenche la transition m taphase-anaphase Alors que l'activation de complexes sp cifiques cycline-Cdk entra ne la progression travers les transitions Start et G2/M (voir Figure 17-11), la progression travers la transition m ta-phase-ana
Biologie moléculaire de la cellule	phase n'est pas d clench e par la phosphorylation des prot ines mais par la destruction des prot ines, conduisant aux tapes finales de la division cellulaire. Le principal r gulateur de la transition m taphase-anaphase est le complexe favorisant l'anaphase, ou cyclosome (APC/C), membre de la famille des enzymes ubiquitine ligase. Comme nous l'avons vu au chapitre 3, ces enzymes sont utilis es dans de nombreux processus cellulaires pour stimuler la destruction prot olytique de prot ines r gulatrices sp cifiques. Ils polyubiquitylent des prot ines cibles sp cifiques, entra nant leur destruction dans les prot asomes. D'autres ubiquitine ligases marquent les prot ines des fins autres que la destruction (voir le chapitre 3). Figure 17 12 La base structurelle de l'activation de Cdk. Ces dessins sont bas s sur les structures tridimensionnelles de Cdk2 et de cycline a humaines, telles que d termin es par cristallographie aux rayons X. L'emplacement de l'aTp li est indiqu . L'enzyme se pr sente sous trois tats. (a) Dans l' tat inactif, sans liaison cycline, le site actif est bloqu par une r gion de la prot ine appel e boucle T (rouge). (B) La liaison de la cycline provoque le d placement de la boucle T hors du site actif, entra nant une activation partielle de la Cdk2. (C) La phosphorylation de la Cdk2 (par Cak) au niveau d'un r sidu de thr onine dans la boucle T active davantage l'enzyme en modifiant la forme de la boucle T, am liorant ainsi la capacit de l'enzyme se lier ses substrats prot iques (Vid o 17.1). Figure 17 13 La r gulation de l'activit de Cdk par la phosphorylation. Le complexe cycline-Cdk actif est d sactiv lorsque la kinase Wee1 phosphoryle deux sites troitement espac s au-dessus du site actif. L' limination de ces phosphates par la phosphatase Cdc25 active le complexe cycline-Cdk. Pour simplifier, un seul phosphate inhibiteur est pr sent . Cak ajoute le phosphate d'activation, comme le montre la figure 17-12. Figure 17 14 L'inhibition d'un complexe cycline-Cdk par un CKI. Ce dessin est bas sur la structure tridimensionnelle du complexe cycline humaine a-Cdk2 li la CkI p27, telle que d termin e par cristallographie aux rayons X. Le p27 se lie la fois la cycline et au Cdk dans le complexe, d formant le site actif du Cdk. Il s'ins re galement dans le site de liaison l'aTp, inhibant davantage l'activit enzymatique. L'APC/C catalyse l'ubiquitylation et la destruction de deux grands types de prot ines. La premi re est la s curine, qui prot ge les liaisons prot iques qui maintiennent les paires de chromatides s urs ensemble au d but de la mitose. La destruction de la securine en m taphase active une prot ase qui s pare les s urs et lib re l'anaphase, comme d crit plus loin. Les M-cyclines de sable sont les deuxi mes cibles principales de l'APC/C. La destruction de ces cyclines inactive la plupart des Cdk dans la cellule (voir Figure 17-11). En cons quence, les nombreuses prot ines phosphoryl es par Cdks de la phase S la mitose pr coce sont d phosphoryl es par diverses phosphatases dans la cellule d'anaphase. Cette d phosphorylation des cibles Cdk est n cessaire l'ach vement de la phase M, y compris les tapes finales de la mitose puis de la cytokin se. Suite son activation au milieu de la mitose, l'APC/C reste actif dans G1 pour fournir une p riode stable d'inactivit Cdk. Lorsque G1/S-Cdk est activ la fin de G1, l'APC/C est d sactiv , permettant ainsi l'accumulation de cyclines dans le cycle cellulaire suivant. Le syst me de contr le du cycle cellulaire utilise galement une autre ubiquitine ligase appel e SCF (voir Figure 3-71). Il a de nombreuses fonctions dans la cellule, mais son r le majeur dans le cycle cellulaire est d'ubiquityler certaines prot ines CKI en fin de G1, aidant ainsi contr ler l'activation des S-Cdks et la r plication de l'ADN. La SCF est galement responsable de la destruction des cyclines G1/S au d but de la phase S. L'APC/C et le SCF sont tous deux de grands complexes multi-sous-unitaires avec quelques composants associ s (voir Figure 3-71), mais ils sont r gul s diff remment. L'activit de l'APC/C change au cours du cycle cellulaire, principalement en raison de changements dans son association avec une sous-unit activatrice, soit Cdc20 au milieu de la mitose, soit Cdh1 de la fin de la mitose au d but de G1. Ces sous-unit s aident l'APC/C reconna tre ses prot ines cibles (Figure 17 15A). L'activit des SCF d pend de sous-unit s de liaison au substrat appel es prot ines F-box. Cependant, contrairement l'activit APC/C, l'activit SCF est constante pendant le cycle cellulaire. L'ubiquitylation par SCF est contr l e par des changements dans l' tat de phosphorylation de ses prot ines cibles, car les sous-unit s F-box ne reconnaissent que les prot ines sp cifiquement phosphoryl es (Figure 17 15B). Dans les cycles cellulaires simples des embryons animaux pr coces, la transcription des g nes ne se produit pas. Le contr le du cycle cellul
Biologie moléculaire de la cellule	aire d pend exclusivement de m canismes post-transcriptionnels qui impliquent la r gulation des Cdks et des ubiquitine ligases et de leurs prot ines cibles. Cependant, dans les cycles cellulaires plus complexes de la plupart des types de cellules, le contr le transcriptionnel fournit un niveau suppl mentaire important de r gulation. Les modifications de la transcription du g ne de la cycline, par exemple, aident contr ler les niveaux de cycline dans la plupart des cellules. Diverses m thodes d crites au chapitre 8 ont t utilis es pour analyser les changements dans l'expression de tous les g nes du g nome au fur et mesure que la cellule progresse dans le cycle cellulaire. Les r sultats de ces tudes sont surprenants. Chez les levures bourgeonnantes, par exemple, environ 10 % des g nes codent pour des ARNm dont les niveaux oscillent au cours du cycle cellulaire. Certains de ces g nes codent pour des prot ines dont les fonctions du cycle cellulaire sont connues, mais les fonctions de beaucoup d'autres sont inconnues. Le syst me de contr le du cycle cellulaire fonctionne comme un r seau d'interrupteurs biochimiques Le tableau 17 2 r sume certains des principaux composants du syst me de contr le du cycle cellulaire. Ces prot ines sont fonctionnellement li es pour former un r seau robuste, qui fonctionne essentiellement de mani re autonome pour activer une s rie d'interrupteurs biochimiques, chacun d'entre eux d clenchant un v nement sp cifique du cycle cellulaire. Lorsque les conditions de prolif ration cellulaire sont r unies, divers signaux externes et internes stimulent l'activation de G1-Cdk, qui son tour stimule l'expression des g nes codant pour les G1/S-cyclines (Figure 17 16). L'activation r sultante de G1/S-Cdk entra ne ensuite la progression dans la transition de d part. Par des m canismes dont nous parlerons plus loin, les G1/S-Cdk lib rent une onde d'activit S-Cdk, qui initie (A) le contr le de la prot olyse par l'APC/C (B) le contr le de la prot olyse par la SCF Figure 17 15 Le contr le de la prot olyse par APC/C et SCF au cours du cycle cellulaire. (a) L'apC/C est activ e en mitose par association avec Cdc20, qui reconna t des s quences d'acides amin s sp cifiques sur la m-cycline et d'autres prot ines cibles. l'aide de deux prot ines suppl mentaires appel es E1 et E2, l'apC/C assemble des cha nes de polyubiquitine sur la prot ine cible. La cible polyubiquityl e est ensuite reconnue et d grad e dans un prot asome. (B) L'activit de l'ubiquitine ligase sCF d pend de sous-unit s de liaison au substrat appel es prot ines F-box, dont il existe de nombreux types diff rents. La phosphorylation d'une prot ine cible, telle que la CkI montr e, permet la cible d' tre reconnue par une sous-unit F-box sp cifique. duplication chromosomique en phase S et contribue galement certains v nements pr coces de la mitose. L'activation de M-Cdk d clenche ensuite la progression travers la transition G2/M et les v nements de mitose pr coce, conduisant l'alignement des paires de chromatides s urs l' quateur du fuseau mitose. Enfin, l'APC/C, avec son activateur Cdc20, d clenche la destruction de la securine et des cyclines, d clenchant ainsi la s paration et la s gr gation des chromatides s urs et l'ach vement de la mitose. Lorsque la mitose est termin e, plusieurs m canismes collaborent pour supprimer l'activit de Cdk, ce qui permet d'obtenir une p riode G1 stable. Nous sommes maintenant pr ts discuter plus en d tail de ces tapes du cycle cellulaire, en commen ant par la phase S. Figure 17 16 Vue d'ensemble du syst me de contr le du cycle cellulaire. Le c ur du syst me de contr le du cycle cellulaire est constitu d'une s rie de complexes cycline-Cdk (en jaune). L'activit de chaque complexe est galement influenc e par divers m canismes inhibiteurs, qui fournissent des informations sur l'environnement extracellulaire, les dommages cellulaires et les v nements incomplets du cycle cellulaire (en haut). Ces m canismes inhibiteurs ne sont pas pr sents dans tous les types de cellules ; Beaucoup sont absents dans les premiers cycles cellulaires embryonnaires, par exemple. Le syst me de contr le du cycle cellulaire d clenche les v nements du cycle cellulaire et veille ce qu'ils soient correctement chronom tr s et coordonn s les uns avec les autres. Le syst me de contr le r pond divers signaux intracellulaires et extracellulaires et arr te le cycle lorsque la cellule ne parvient pas terminer un processus essentiel du cycle cellulaire ou rencontre des conditions environnementales ou intracellulaires d favorables. Les composants centraux du syst me de contr le sont les prot ines kinases d pendantes des cyclines (Cdk), qui d pendent des sous-unit s de la cycline pour leur activit . Les oscillations dans les activit s de diff rents complexes cycline-Cdk contr lent divers v nements du cycle cellulaire. Ainsi, l'activation des complexes cycline-Cdk de la phase S (S-Cdk) initie la phase S,
Biologie moléculaire de la cellule	tandis que l'activation des complexes cycline-Cdk de la phase M (M-Cdk) d clenche la mitose. Les m canismes qui contr lent les activit s des complexes cycline-Cdk comprennent la phosphorylation de la sous-unit Cdk, la liaison des prot ines inhibitrices de Cdk (CKI), la prot olyse des cyclines et les modifications de la transcription des g nes codant pour les r gulateurs de Cdk. Le syst me de contr le du cycle cellulaire d pend galement de mani re cruciale de deux complexes enzymatiques suppl mentaires, les ubiquitines ligases APC/C et SCF, qui catalysent l'ubiquitylation et la destruction subs quente de prot ines r gulatrices sp cifiques qui contr lent les v nements critiques du cycle. Les chromosomes lin aires des cellules eucaryotes sont des assemblages vastes et dynamiques d'ADN et de prot ines, et leur duplication est un processus complexe qui occupe une fraction majeure du cycle cellulaire. Non seulement la longue mol cule d'ADN de chaque chromosome doit tre dupliqu e avec pr cision un exploit remarquable en soi mais l'emballage des prot ines entourant chaque r gion de cet ADN doit galement tre reproduit, garantissant que les cellules filles h ritent de toutes les caract ristiques de la structure des chromosomes. L' v nement central de la duplication chromosomique la r plication de l'ADN pose deux probl mes la cellule. Tout d'abord, la r plication doit se produire avec une pr cision extr me pour minimiser le risque de mutations lors de la prochaine g n ration de cellules. Deuxi mement, chaque nucl otide du g nome doit tre copi une fois, et une seule fois, pour viter les effets n fastes de l'amplification g nique. Dans le chapitre 5, nous discutons de la machinerie prot ique sophistiqu e qui effectue la r plication de l'ADN avec une vitesse et une pr cision tonnantes. Dans cette section, nous examinons les m canismes l gants par lesquels le syst me de contr le du cycle cellulaire initie le processus de r plication et, en m me temps, l'emp che de se produire plus d'une fois par cycle. La r plication de l'ADN commence aux origines de la r plication, qui sont dispers es de nombreux endroits dans chaque chromosome. Au cours de la phase S, la r plication de l'ADN est initi e ces origines lorsqu'une h licase d'ADN d roule la double h lice et que les enzymes de r plication de l'ADN sont charg es sur les deux matrices simple brin. Cela conduit la phase d' longation de la r plication, lorsque la machinerie de r plication se d place vers l'ext rieur partir de l'origine au niveau de deux fourches de r plication (discut e au chapitre 5). Pour s'assurer que la duplication chromosomique ne se produit qu'une seule fois par cycle cellulaire, la phase d'initiation de la r plication de l'ADN est divis e en deux tapes distinctes qui se produisent diff rents moments du cycle cellulaire (Figure 17-17). La premi re tape se produit la fin de la mitose et au d but de G1, lorsqu'une paire d'h licases d'ADN inactives est charg e sur l'origine de la r plication, formant un grand complexe appel complexe pr r plicatif ou pr RC. Cette tape est parfois appel e licence des origines de r plication car l'initiation de la synth se de l'ADN n'est autoris e qu'aux origines contenant un pr RC. La deuxi me tape se produit en phase S, lorsque les h licases d'ADN sont activ es, ce qui entra ne le d roulement de l'ADN et l'initiation de la synth se de l'ADN. Une fois qu'une origine de r plication a t d clench e de cette mani re, les deux h licases se d placent de l'origine avec les fourches de r plication, et cette origine ne peut pas tre r utilis e tant qu'un nouveau pr RC n'y est pas assembl la fin de la mitose. Par cons quent, les origines ne peuvent tre activ es qu'une seule fois par cycle cellulaire. La figure 17-18 illustre certains des d tails mol culaires sous-jacents au contr le des deux tapes de l'initiation de la r plication de l'ADN. Un acteur cl est un grand complexe multiprot ique appel complexe de reconnaissance d'origine (ORC), qui se lie Figure 17 17 Contr le de la duplication chromosomique. Les pr parations pour la r plication de l'ADN commencent la fin de la mitose et en G1, lorsque les h licases d'ADN sont charg es par plusieurs prot ines l'origine de la r plication, formant le complexe pr r plicatif (pr RC). L'activation de s-Cdk conduit l'activation des h licases d'ADN, qui d roulent l'ADN l'origine pour initier la r plication de l'ADN. Deux fourches de r plication partent de chaque origine jusqu' ce que le chromosome entier soit dupliqu . Les chromosomes dupliqu s sont ensuite s par s en phase M. L'activation de s-Cdk dans la phase s emp che galement l'assemblage de nouveaux pr RC n'importe quelle origine jusqu'au g1 suivant, garantissant ainsi que chaque origine n'est activ e qu'une seule fois dans chaque cycle cellulaire. origines de r plication tout au long du cycle cellulaire. la fin de la mitose et au d but de G1, les prot ines Cdc6 et Cdt1 collab
Biologie moléculaire de la cellule	orent avec l'ORC pour charger les h licases d'ADN inactifs autour de l'ADN c t de l'origine. Le grand complexe qui en r sulte est le preRC, et l'origine est maintenant sous licence pour la r plication. Au d but de la phase S, S-Cdk d clenche l'activation de l'origine en phosphorylant des prot ines initiatrices sp cifiques, qui nucl ent ensuite l'assemblage d'un grand complexe prot ique qui active l'h licase de l'ADN et recrute la machinerie de synth se de l'ADN. Une autre prot ine kinase appel e DDK est galement activ e en phase S et aide stimuler l'activation de l'origine en phosphorylant des sous-unit s sp cifiques de l'h licase de l'ADN. En m me temps que S-Cdk initie la r plication de l'ADN, plusieurs m canismes emp chent l'assemblage de nouveaux pr RC. S-Cdk phosphoryle et inhibe ainsi les prot ines ORC et Cdc6. L'inactivation de l'APC/C la fin de G1 permet galement de d sactiver l'assemblage pr RC. la fin de la mitose et au d but de G1, l'APC/C d clenche la destruction d'un inhibiteur de Cdt1 appel g minine, permettant ainsi Cdt1 d' tre actif. Lorsque l'APC/C est d sactiv la fin de G1, la g minine s'accumule et inhibe le Cdt1 qui n'est pas associ l'ADN. De plus, l'association de Cdt1 avec une prot ine au niveau des fourches de r plication actives stimule la destruction de Cdt1. De ces diff rentes mani res, la formation de pr RC est emp ch e de la phase S la mitose, garantissant ainsi que chaque origine n'est d clench e qu'une seule fois par cycle cellulaire. Comment, alors, le syst me de contr le du cycle cellulaire est-il r initialis pour permettre la r plication dans le cycle cellulaire suivant ? la fin de la mitose, l'activation de l'APC/C conduit l'inactivation de Cdks et la destruction de la g minine. ORC et Cdc6 sont d phosphoryl s et Cdt1 est activ , ce qui permet l'assemblage pr RC de pr parer la cellule pour la phase S suivante. La duplication chromosomique n cessite la duplication de la structure de la chromatine L'ADN des chromosomes est largement emball dans une vari t de composants prot iques, y compris des histones et diverses prot ines r gulatrices impliqu es dans le contr le de l'expression des g nes (discut es au chapitre 4). Ainsi, la duplication d'un chromosome ne consiste pas simplement r pliquer l'ADN en son c ur, mais n cessite galement la duplication de ces prot ines de la chromatine et leur bon assemblage sur l'ADN. La production de prot ines chromatiniennes augmente pendant la phase S pour fournir les mati res premi res n cessaires l'emballage de l'ADN nouvellement synth tis . Plus important encore, les S-Cdks stimulent une forte augmentation de la synth se des quatre sous-unit s d'histones qui forment les octam res d'histones au c ur de chaque nucl osome. Ces sous-unit s sont assembl es en nucl osomes sur l'ADN par des facteurs d'assemblage de nucl osomes, qui s'associent g n ralement la fourche de r plication et distribuent des nucl osomes sur les deux brins de l'ADN lorsqu'ils mergent de la machinerie de synth se de l'ADN. L'emballage de la chromatine aide contr ler l'expression des g nes. Dans certaines parties du chromosome, la chromatine est tr s condens e et est appel e h t rochromatine, tandis que dans d'autres r gions, elle a une structure plus ouverte et est appel e euchromatine (discut e au chapitre 4). Ces diff rences dans la structure de la chromatine d pendent de divers m canismes, notamment la modification des queues d'histones et la pr sence de prot ines non histones. Parce que ces diff rences sont importantes dans la r gulation des g nes, Cdc6 ORC (complexe de reconnaissance de l'origine) P P P P OrigineCdt1 Mcm h licase + complexe pr r plicatif (pr RC) PROT INES INITIATRICES S-Cdk DDK INACTIVATION DE L'ORC, Cdc6, Cdt1 ACTIVATION DE L'ADN H LICASE ACH VEMENT DE LA R PLICATION DE L'ADN G1 S G2 ADN Figure 17 18 Contr le de l'initiation de la r plication de l'ADN. L'origine de la r plication est li e par l'ORC tout au long du cycle cellulaire. Au d but de g1, Cdc6 s'associe l'ORC, et ces prot ines se lient l'ADN h licase, qui contient six sous-unit s troitement apparent es appel es prot ines mcm. L'h licase s'associe galement une prot ine appel e Cdt1. En utilisant l' nergie fournie par l'hydrolyse de l'aTp, les prot ines ORC et Cdc6 chargent deux copies de l'h licase d'ADN, sous une forme inactive, autour de l'ADN c t de l'origine, formant ainsi le complexe pr r plicatif (pr RC). au d but de la phase s, la s-Cdk stimule l'assemblage de plusieurs prot ines initiatrices sur chaque h licase d'ADN, tandis qu'une autre prot ine kinase, DDK, phosphoryle les sous-unit s de l'h licase d'ADN. En cons quence, les h licases d'ADN sont activ es et d roulent l'ADN. L'ADN polym rase et d'autres prot ines de r plication sont recrut es l'origine, et la r plication de l'ADN commence. L'ORC est d plac par la machinerie de r plication, puis se relie. s-Cdk et d'autres m canismes inactivent galement les composants pr
Biologie moléculaire de la cellule	RC ORC, Cdc6 et Cdt1, emp chant ainsi la formation de nouveaux pr RC aux origines jusqu' la fin de la mitose (voir texte). il est crucial que la structure de la chromatine, comme l'ADN qu'elle contient, soit reproduite avec pr cision pendant la phase S. Cependant, la fa on dont la structure de la chromatine est reproduite n'est pas bien comprise. Au cours de la synth se de l'ADN, des enzymes modifiant les histones et diverses prot ines non histones sont probablement d pos es sur les deux nouveaux brins d'ADN lorsqu'ils mergent de la fourche de r plication, et on pense que ces prot ines reproduisent la structure chromatinienne locale du chromosome parent (voir Figure 4-45). la fin de la phase S, chaque chromosome r pliqu est constitu d'une paire de chromatides s urs identiques coll es ensemble sur leur longueur. Cette coh sion chromatiade s ur pr pare le terrain pour une mitose r ussie car elle facilite grandement la fixation des deux chromatides s urs aux p les oppos s du fuseau mitotique. Imaginez combien il serait difficile d'atteindre cet attachement bipolaire si l'on laissait les chromatides s urs s' loigner apr s la phase S. En effet, des d fauts de coh sion des chromatides s urs chez les mutants de levure, par exemple conduisent in vitablement des erreurs majeures dans la s gr gation des chromosomes. La coh sion des chromatides s urs d pend d'un grand complexe prot ique appel coh sine, qui se d pose de nombreux endroits sur la longueur de chaque chromatide s ur lorsque l'ADN est r pliqu en phase S. Deux des sous-unit s de la coh sine sont membres d'une grande famille de prot ines appel es prot ines SMC (pour Structural Maintenance of Chromosomes). La coh sine forme des structures g antes en forme d'anneau, et il a t propos que celles-ci entourent les deux chromatides s urs (Figure 17-19). La coh sion des chromatides s urs r sulte galement, au moins en partie, de la cat nation de l'ADN, l'entrelacement des mol cules d'ADN s urs qui se produit lorsque deux fourches de r plication se rencontrent lors de la synth se de l'ADN. L'enzyme topoisom rase II d m le progressivement les ADN fr res cat n s entre la phase S et le d but de la mitose en coupant une mol cule d'ADN, en faisant passer l'autre travers la cassure, puis en refermant l'ADN coup (voir Figure 5-22). Une fois la cat nation limin e, la coh sion des chromatides s urs d pend principalement des complexes de coh sine. La perte soudaine et synchrone de la coh sion s ur lors de la transition m taphase-anaphase d pend donc principalement de la perturbation de ces complexes, comme nous le d crirons plus loin. La duplication des chromosomes en phase S implique la r plication pr cise de la mol cule d'ADN enti re dans chaque chromosome, ainsi que la duplication des prot ines de la chromatine qui s'associent l'ADN et r gissent divers aspects de la fonction chromosomique. La duplication chromosomique est d clench e par l'activation de S-Cdk, qui active les prot ines qui d roulent l'ADN et initient sa r plication aux origines de r plication. Une fois qu'une origine de r plication est activ e, S-Cdk inhibe galement les prot ines n cessaires pour permettre cette origine d'initier nouveau la r plication de l'ADN. Ainsi, chaque origine est d clench e une et une seule fois dans chaque phase S et ne peut pas tre r utilis e avant le cycle cellulaire suivant. Figure 17 19 Coh sine. La coh sine est un complexe prot ique compos de quatre sous-unit s. (a) Deux sous-unit s, smc1 et smc3, sont des prot ines enroul es avec un domaine aTpase une extr mit ; (B) deux sous-unit s suppl mentaires, scc1 et scc3, relient les domaines de t te de l'aTpase, formant une structure cyclique qui peut entourer les chromatides s urs comme indiqu en (C). Les domaines aTpase sont n cessaires la charge de la coh sine sur l'ADN. Apr s l'ach vement de la phase S et la transition travers G2, la cellule subit le bouleversement spectaculaire de la phase M. Cela commence par la mitose, au cours de laquelle les chromatides s urs sont s par es et distribu es (s gr gu es) une paire de noyaux filles identiques, chacun avec sa propre copie du g nome. La mitose est traditionnellement divis e en cinq tapes prophase, prom taphase, m taphase, anaphase et t lophase d finies principalement sur la base du comportement chromosomique observ au microscope. la fin de la mitose, le deuxi me v nement majeur de la phase M, la cytokin se, divise la cellule en deux moiti s, chacune avec un noyau identique. La partie 17-1 r sume les principaux v nements de la phase M (Vid o 17.2, Vid o 17.3, Vid o 17.4 et Vid o 17.5). D'un point de vue r glementaire, la mitose peut tre divis e en deux grandes parties, chacune r gie par des composants distincts du syst me de contr le du cycle cellulaire. Tout d'abord, une augmentation brutale de l'activit M-Cdk la transition G2/M d clenche les v nements de mitose pr coce (prophase, prom taphase et m taphase). Au cours de
Biologie moléculaire de la cellule	cette p riode, M-Cdk et plusieurs autres prot ines mitotiques kinases phosphorylent une vari t de prot ines, conduisant l'assemblage du fuseau mitotique et sa fixation aux paires s urs-chromatides. La deuxi me grande partie de la mitose commence la transition m taphaseto-anaphase, lorsque l'APC/C d clenche la destruction de la s curine, lib rant une prot ase qui clive la coh sine et initie ainsi la s paration des chromatides s urs. L'APC/C favorise galement la destruction des cyclines, ce qui conduit l'inactivation de Cdk et la d phosphorylation des cibles Cdk, ce qui est n cessaire pour tous les v nements de la fin de la phase M, y compris l'ach vement de l'anaphase, le d sassemblage du fuseau mitotique et la division de la cellule par cytokin se. Dans cette section, nous d crivons les principaux v nements m caniques de la mitose et la mani re dont M-Cdk et l'APC/C les orchestrent. L'une des caract ristiques les plus remarquables du contr le du cycle cellulaire est qu'une seule prot ine kinase, M-Cdk, provoque tous les r arrangements cellulaires divers et complexes qui se produisent dans les premiers stades de la mitose. Au minimum, M-Cdk doit induire l'assemblage du fuseau mitotique et s'assurer que chaque chromatide s ur d'une paire est attach e au p le oppos du fuseau. Il d clenche galement la condensation des chromosomes, la r organisation grande chelle des chromatides s urs entrelac es en structures compactes en forme de b tonnets. Dans les cellules animales, M-Cdk favorise galement la d gradation de l'enveloppe nucl aire et les r arrangements du cytosquelette d'actine et de l'appareil de Golgi. On pense que chacun de ces processus est initi lorsque M-Cdk phosphoryle des prot ines sp cifiques impliqu es dans le processus, bien que la plupart de ces prot ines n'aient pas encore t identifi es. M-Cdk n'agit pas seul pour phosphoryler les prot ines cl s impliqu es dans la mitose pr coce. Deux autres familles de prot ines kinases, les kinases de type Polo et les kinases Aurora, apportent galement des contributions importantes au contr le des v nements mitotiques pr coces. La kinase Plk, par exemple, est n cessaire l'assemblage normal d'un fuseau mitotique bipolaire, en partie parce qu'elle phosphoryle les prot ines impliqu es dans la s paration des p les du fuseau au d but de la mitose. La kinase Aurora-A aide galement contr ler les prot ines qui r gissent l'assemblage et la stabilit du fuseau, tandis qu'Aurora-B contr le la fixation des chromatides s urs au fuseau, comme nous le verrons plus loin. la d phosphorylation active m-Cdk au d but de la mitose L'activation de M-Cdk commence par l'accumulation de M-cycline (cycline B dans les cellules de vert br s ; voir Tableau 17 1). Dans les cycles cellulaires embryonnaires, la synth se de la M-cycline est constante tout au long du cycle cellulaire, et l'accumulation de M-cycline r sulte de la grande stabilit de la prot ine en interphase. Dans la plupart des types de cellules, cependant, M- La synth se des cyclines augmente au cours de G2 et M, principalement en raison d'une augmentation de la transcription du g ne M-cycline. L'augmentation de la prot ine M-cycline conduit une accumulation correspondante de M-Cdk (le complexe de Cdk1 et de M-cycline) l'approche de la mitose. Bien que le Cdk dans ces complexes soit phosphoryl un site d'activation par la kinase activatrice de Cdk (CAK), comme nous l'avons vu pr c demment, la prot ine kinase Wee1 le maintient dans un tat inactif par phosphorylation inhibitrice sur deux sites voisins (voir Figure 17 13). Ainsi, au moment o la cellule atteint la fin de G2, elle contient un stock abondant de M-Cdk qui est amorc et pr t agir, mais qui est supprim par les phosphates qui bloquent le site actif de la kinase. Qu'est-ce qui d clenche alors l'activation du stock M-Cdk ? L' v nement crucial est l'activation de la prot ine phosphatase Cdc25, qui limine les phosphates inhibiteurs qui freinent la M-Cdk (Figure 17 20). Dans le m me temps, l'activit inhibitrice de la kinase Wee1 est supprim e, ce qui garantit une augmentation de l'activit de M-Cdk. Les m canismes qui lib rent l'activit de Cdc25 au d but de la mitose ne sont pas bien compris. Une possibilit est que les S-Cdks qui sont actifs dans G2 et la prophase pr coce stimulent Cdc25. Il est int ressant de noter que Cdc25 peut galement tre activ , au moins en partie, par sa cible, M-Cdk. M-Cdk peut galement inhiber la kinase inhibitrice Wee1. La capacit de M-Cdk activer son propre activateur (Cdc25) et inhiber son propre inhibiteur (Wee1) sugg re que l'activation de M-Cdk en mitose implique des boucles de r troaction positives (voir Figure 17-20). Selon ce mod le attractif, l'activation partielle de Cdc25 (peut- tre par S-Cdk) conduit l'activation partielle d'une sous-population de complexes M-Cdk, qui phosphorylent ensuite les mol cules Cdc25 et Wee1. Cela conduit plus d'activation de M-Cdk, et ainsi de su
Biologie moléculaire de la cellule	ite. Un tel m canisme favoriserait rapidement l'activation de tous les complexes M-Cdk dans la cellule. Comme mentionn pr c demment, des commutateurs mol culaires similaires op rent divers points du cycle cellulaire pour favoriser la transition abrupte et compl te d'un tat du cycle cellulaire l'autre. la fin de la phase S, les mol cules d'ADN immens ment longues des chromatides s urs sont enchev tr es dans une masse d'ADN et de prot ines partiellement cat n s. Toute tentative de s parer les s urs dans cet tat conduirait sans aucun doute des cassures des chromosomes. Pour viter ce d sastre, la cellule consacre beaucoup d' nergie au d but de la mitose r organiser progressivement les chromatides s urs en structures relativement courtes et distinctes qui peuvent tre s par es plus facilement en anaphase. Ces changements chromosomiques impliquent deux processus : la condensation chromosomique, dans laquelle les chromatides sont consid rablement compact es ; et la r solution des chromatides s urs, par laquelle les deux s urs sont r solues en unit s distinctes et s parables (Figure 17 21). La r solution r sulte de la d cat ration des ADN fr res, accompagn e de l' limination partielle des mol cules de coh sine le long des bras chromosomiques. En cons quence, lorsque la cellule atteint la m taphase, les chromatides s urs apparaissent au microscope sous la forme de structures compactes en forme de b tonnets qui sont troitement jointes dans leurs r gions centrom riques et seulement l chement le long de leurs bras. Figure 17 20 L'activation de M-Cdk. Cdk1 s'associe la m-cycline mesure que les niveaux de m-cycline augmentent progressivement. Le complexe m-Cdk r sultant est phosphoryl sur un site d'activation par la kinase activatrice de Cdk (Cak) et sur une paire de sites inhibiteurs par la kinase Wee1. Le complexe m-Cdk inactif qui en r sulte est ensuite activ la fin de g2 par la phosphatase Cdc25. Cdc25 est ensuite stimul par la m-Cdk active, ce qui entra ne une r troaction positive. Cette r troaction est renforc e par la capacit de m-Cdk inhiber Wee1. Figure 17 21 Le chromosome mitotique. Micrographie lectronique balayage d'un chromosome mitotique humain, compos de deux chromatides s urs jointes sur toute leur longueur. Les r gions r tr cies sont les centrom res. (Avec l'aimable autorisation de Terry D. Allen.) PROPHASE1centrosome formant le fuseau mitotique condensant le chromosome r pliqu , constitu de deux chromatides s urs maintenues ensemble sur leur longueur enveloppe nucl aire intacte kin tochore la prophase, les chromosomes r pliqu s, chacun constitu de deux chromatides s urs troitement associ es, se condensent. Dehors Le noyau, le fuseau mitotique s'assemble entre les deux centrosomes, qui se sont r pliqu s et se sont loign s. Pour simplifier, seuls trois chromosomes sont repr sent s. Dans les cellules diplo des, il y aurait deux copies de chaque chromosome pr sent. Dans la micrographie de fuorescence, les chromosomes sont color s en orange et les microtubules sont verts. PROM TAPHASE 2 La prom taphase commence brusquement avec la rupture de l'enveloppe nucl aire. Les chromosomes peuvent maintenant se fixer aux microtubules fusiformes via leurs kin tochores et subir un mouvement actif. centrosome au p le du fuseau Kin tochore Chromosome des microtubules en mouvement actif Fragments de l'enveloppe nucl aire M TAPHASE 3 la m taphase, les chromosomes sont align s l' quateur du fuseau, mi-chemin entre les p les du fuseau. Les microtubules kin tochores attachent les chromatides s urs aux p les oppos s du fuseau. centrosome au p le fusiforme du microtubule kin tochore PANeL 17 1 : les principales tapes de la phase M (mitose et cytokin se) dans une cellule animale 980 ANAPHASE4 Lors de l'anaphase, les chromatides s urs se s parent de mani re synchrone pour former deux chromosomes filles, et chacun est tir lentement vers le p le du fuseau auquel il fait face. Les microtubules kin tochores deviennent plus courts et les p les du fuseau s' cartent galement ; Les deux processus contribuent la s gr gation des chromosomes. TELOPHASE5 Au cours de la t lophase, les deux ensembles de chromosomes filles arrivent aux p les du fuseau et se d condensent. Une nouvelle enveloppe nucl aire se r assemble autour de chaque ensemble, achevant la formation de deux noyaux et marquant la fin de la mitose. La division du cytoplasme commence par la contraction de l'anneau contractile. CYTOKINESIS6 Au cours de la cytokin se, le cytoplasme est divis en deux par un anneau contractile de flaments d'actine et de myosine, qui pince la cellule en deux pour cr er deux filles, chacune avec un noyau. raccourcissement du p le du fuseau des microtubules kin tochores se d pla ant vers l'ext rieur ensemble de chromosomes filles au p le du fuseau anneau contractile commen ant se contracter centrosomel'enveloppe nucl aire se r assemblage autour des chromosomes individuels chromosomes filles envelop
Biologie moléculaire de la cellule	pe nucl aire termin e entoure les chromosomes en d condensation anneau contractile cr ant un sillon de clivage reformation du r seau interphanique de microtubules nucl s par le centrosome (Micrographies avec l'aimable autorisation de Julie Canman et Ted Salmon.) 981 La condensation et la r solution des chromatides s urs d pendent, au moins en partie, d'un complexe prot ique cinq sous-unit s appel condensine. La structure de la condensine est li e celle du complexe de coh sine qui maintient les chromatides s urs ensemble (voir Figure 17-19). Il contient deux sous-unit s SMC comme celles de la coh sine, plus trois sous-unit s non-SMC (Figure 17 22). La condensine peut former une structure en forme d'anneau qui utilise d'une mani re ou d'une autre l' nergie fournie par l'hydrolyse de l'ATP pour favoriser le compactage et la r solution des chromatides s urs. La condensine est capable de modifier l'enroulement des mol cules d'ADN dans un tube essai, et cette activit d'enroulement est consid r e comme importante pour la condensation des chromosomes pendant la mitose. Il est int ressant de noter que la phosphorylation des sous-unit s de condensine par M-Cdk stimule cette activit d'enroulement, fournissant un m canisme par lequel M-Cdk peut favoriser la restructuration chromosomique au d but de la mitose. La broche mitotique est une machine base de microtubules L' v nement central de la mitose la s gr gation chromosomique d pend chez tous les eucaryotes d'une machine complexe et belle appel e le fuseau mitotique (voir panneau 17-1). Le fuseau est un r seau bipolaire de microtubules, qui s pare les chromatides s urs en anaphase, s parant ainsi les deux ensembles de chromosomes aux extr mit s oppos es de la cellule, o ils sont regroup s dans des noyaux filles (vid o 17.6). M-Cdk d clenche l'assemblage du fuseau t t dans la mitose, en parall le de la restructuration chromosomique que nous venons de d crire. Avant d'examiner comment le fuseau s'assemble et comment ses microtubules se fixent aux chromatides s urs, nous passons bri vement en revue les caract ristiques de base de la structure du fuseau. Le c ur du fuseau mitotique est un r seau bipolaire de microtubules, dont les extr mit s n gatives sont focalis es sur les deux p les du fuseau et dont les extr mit s positives rayonnent vers l'ext rieur partir des p les (Figure 17 23). Les extr mit s positives de certains microtubules, appel es microtubules interpolaires, se chevauchent avec les extr mit s positives des microtubules de l'autre p le, ce qui donne lieu un r seau antiparall le dans la zone m diane du fuseau. Les extr mit s positives d'autres microtubules, les microtubules kin tochores, sont attach es des paires de chromatides s urs au niveau de grandes structures prot iques appel es kin tochores, qui sont situ es au centrom re de chaque chromatide s ur. Enfin, de nombreux fuseaux contiennent galement des microtubules astraux qui rayonnent vers l'ext rieur partir des p les et entrent en contact avec le cortex cellulaire, aidant positionner le fuseau dans la cellule. Dans la plupart des cellules animales somatiques, chaque p le du fuseau est focalis sur un organite prot ique appel centrosome (voir les figures 16-47 et 16-48). Chaque centrosome est constitu d'un nuage de mat riau amorphe (appel matrice p ricentriolaire) qui entoure une paire de centrioles (Figure 17 24). La matrice p ricentriolaire nucl e un r seau radial de microtubules, avec leurs extr mit s positives croissance rapide projet es vers l'ext rieur et leurs extr mit s n gatives associ es au centrosome. La matrice contient une vari t de prot ines, y compris des prot ines motrices d pendantes des microtubules, des prot ines enroul es qui lient les moteurs au centrosome, des prot ines structurelles et des composants du syst me de contr le du cycle cellulaire. Plus important encore, il contient des complexes cycliques -tubuline, qui sont les composants principalement responsables de la nucl ation des microtubules (voir Figure 16-46). Certaines cellules, notamment les cellules des plantes sup rieures et les ovocytes de nombreux vert br s, n'ont pas de centrosomes, et les prot ines motrices d pendantes des microtubules et d'autres prot ines s'associent aux extr mit s n gatives des microtubules pour organiser et concentrer les p les du fuseau. Figure 17 23 Le fuseau mitotique m taphasique dans une cellule animale. Les extr mit s positives des microtubules font saillie l'oppos du p le du fuseau, tandis que les extr mit s n gatives sont ancr es aux p les du fuseau, qui dans cet exemple sont organis s par des centrosomes. Les microtubules kin tochores relient les p les du fuseau aux kin tochores des chromatides s urs, tandis que les microtubules interpolaires des deux p les s'interdigitent l' quateur du fuseau. Les microtubules astraux rayonnent des p les dans le cytoplasme. La fonction du fuseau mitotique d pend de nombreuses prot ines motrices d pendantes
Biologie moléculaire de la cellule	des microtubules. Comme nous l'avons vu au chapitre 16, ces prot ines appartiennent deux familles : les prot ines li es la kin sine, qui se d placent g n ralement vers l'extr mit positive des microtubules, et les dyn ines, qui se d placent vers l'extr mit n gative. Dans le fuseau mitotique, ces prot ines motrices fonctionnent g n ralement au niveau ou pr s des extr mit s des micro-tubules. Quatre principaux types de prot ines motrices la kin sine-5, la kin sine-14, les kin sines-4/10 et la dyn ine sont particuli rement importants dans l'assemblage et la fonction du fuseau (Figure 17-25). Les prot ines kin sine-5 contiennent deux domaines moteurs qui interagissent avec les extr mit s positives des microtubules antiparall les dans la zone m diane du fuseau. Parce que les deux domaines moteurs se d placent vers les extr mit s positives des microtubules, ils font glisser les deux microtubules antiparall les l'un devant l'autre vers les p les du fuseau, cartant les p les. Les prot ines kin sine-14, en revanche, sont des moteurs dirig s vers l'extr mit n gative avec un seul domaine moteur et d'autres domaines qui peuvent interagir avec un microtubule voisin. Ils peuvent r ticuler des microtubules interpolaires antiparall les au milieu de la zone m diane du fuseau et ont tendance rapprocher les p les. Kin sine-4 et kin sine-10 Figure 17 24 Le centrosome. (a) Micrographie lectronique d'une cellule de mammif re en phase S en culture, montrant un centrosome dupliqu . Chaque centrosome contient une paire de centrioles ; bien que les centrioles se soient dupliqu s, ils restent ensemble en un seul complexe, comme le montre le dessin de la micrographie en (B). Un centriole de chaque paire de centrioles a t coup en coupe transversale, tandis que l'autre est coup en section longitudinale, ce qui indique que les deux membres de chaque paire sont align s angle droit l'un par rapport l'autre. Les deux moiti s du centrosome r pliqu , chacune constitu e d'une paire de centrioles entour e d'une matrice p ricentriolaire, vont se s parer et migrer pour initier la formation des deux p les du fuseau mitotique lorsque la cellule entre en phase m. (a, d'apr s M. McGill, D.P. Highfield, T.M. Monahan, et B.R. Brinkley, J. Ultrastruct. Res. 57:43 53, 1976. Avec l'autorisation de la presse universitaire.) microtubule fuseau dyn ine kin sine-4,10 kin sine-14 kin sine-5 dyn ine chromatides s urs centrosome+ + + + + + + membrane plasmique Figure 17 25 Principales prot ines motrices du fuseau. Quatre grandes classes de prot ines motrices d pendantes des microtubules (bo tes jaunes) contribuent l'assemblage et la fonction du fuseau (voir texte). Les fl ches color es indiquent la direction du mouvement des prot ines motrices le long d'un microtubule : bleu vers l'extr mit n gative et rouge vers l'extr mit positive. Les prot ines, galement appel es chromokin sines, sont des moteurs dirig s vers l'extr mit positive qui s'associent des bras chromosomiques et poussent le chromosome attach loin du p le (ou le p le loin du chromosome). Enfin, les dyn ines sont des moteurs dirig s vers l'extr mit n gative qui, avec les prot ines associ es, organisent les microtubules divers endroits de la cellule. Ils lient les extr mit s positives des microtubules astraux aux composants du cytosquelette d'actine au niveau du cortex cellulaire, par exemple ; En se d pla ant vers l'extr mit n gative des microtubules, les moteurs dyn ine tirent les p les du fuseau vers le cortex cellulaire et les loignent les uns des autres. Collaborer l'assemblage d'un fuseau mitotique bipolaire Le fuseau mitotique doit avoir deux p les pour tirer les deux ensembles de chromatides s urs vers les extr mit s oppos es de la cellule en anaphase. Dans la plupart des cellules animales, plusieurs m canismes assurent la bipolarit du fuseau. On d pend des centrosomes. Une cellule animale typique entre en mitose avec une paire de centrosomes, chacun d'entre eux nucl ant un r seau radial de microtubules. Les deux centrosomes fournissent des p les de fuseau pr fabriqu s qui facilitent grandement l'assemblage du fuseau bipolaire. Les autres m canismes d pendent de la capacit des chromosomes mitotiques nucl er et stabiliser les microtubules et de la capacit des prot ines motrices organiser les microtubules en un r seau bipolaire. Ces m canismes d' auto-organisation peuvent produire un fuseau bipolaire m me dans les cellules d pourvues de centrosomes. Nous d crivons maintenant les tapes de l'assemblage du fuseau, en commen ant par l'assemblage d pendant des centrosomes au d but de la mitose. Nous consid rons ensuite les m canismes d'auto-organisation qui ne n cessitent pas de centrosomes et qui deviennent particuli rement importants apr s la rupture de l'enveloppe nucl aire. La duplication des centrosomes se produit t t dans le cycle cellulaire La plupart des cellules animales contiennent un seul centrosome qui nucl e la plupa
Biologie moléculaire de la cellule	rt des microtubules cytoplasmiques de la cellule. Le centrosome se duplique lorsque la cellule entre dans le cycle cellulaire, de sorte qu'au moment o la cellule atteint la mitose, il y a deux centrosomes. La duplication des centrosomes commence peu pr s au moment o la cellule entre dans la phase S. Le G1/S-Cdk (un complexe de cycline E et de Cdk2 dans les cellules animales ; voir Tableau 17 1) qui d clenche l'entr e dans le cycle cellulaire aide galement initier la duplication des centrosomes. Les deux centrioles du centrosome se s parent et nucl ent chacun la formation d'un seul nouveau centriole, ce qui donne deux paires de centrioles au sein d'une matrice p ricentriolaire largie (Figure 17 26). Cette paire de centrosomes reste ensemble d'un c t du noyau jusqu' ce que la cellule entre en mitose. Il existe des parall les int ressants entre la duplication des centrosomes et la duplication des chromosomes. Les deux utilisent un m canisme semi-conservateur de duplication, dans lequel les deux moiti s se s parent et servent de mod les pour la construction d'une nouvelle moiti . Les centrosomes, comme les chromosomes, doivent se r pliquer une et une seule fois par cycle cellulaire, pour s'assurer que la cellule entre en mitose avec seulement deux copies : un nombre incorrect de centrosomes pourrait entra ner des d fauts dans l'assemblage du fuseau et donc des erreurs dans la s gr gation des chromosomes. Les m canismes qui limitent la duplication des centrosomes une fois par cycle cellulaire sont incertains. Dans de nombreux types de cellules, l'inhibition exp rimentale de la synth se de l'ADN bloque la duplication des centrosomes, fournissant un m canisme par lequel le nombre de centrosomes est contr l . D'autres types de cellules, cependant, y compris celles des premiers embryons de mouches, d'oursins et de grenouilles, n'ont pas un tel m canisme et la duplication des centrosomes se poursuit si la duplication des chromosomes est bloqu e. On ne sait pas comment ces cellules limitent la duplication des centrosomes une fois par cycle cellulaire. L'assemblage du fuseau commence au d but de la mitose, lorsque les deux centrosomes s' cartent le long de l'enveloppe nucl aire, attir s par les prot ines motrices de la dyn ine qui lient les micro-tubules astraux au cortex cellulaire (voir Figure 17-25). Les extr mit s positives des microtubules entre les centrosomes s'interdigitent pour former les microtubules interpolaires, et les prot ines motrices de la kin sine-5 s'associent ces microtubules et cartent les centrosomes (voir Figure 17-25). De plus, au d but de la mitose, le nombre de complexes cycliques -tubuline dans chaque centrosome augmente consid rablement, augmentant la capacit des centrosomes nucl er de nouveaux microtubules, un processus appel Maturation des centrosomes. L' quilibre des forces oppos es g n r es par diff rents types de prot ines motrices d termine la longueur finale du fuseau. Les moteurs Dynein et Kinesin-5 favorisent g n ralement la s paration des centrosomes et augmentent la longueur de la broche. Les prot ines kin sine-14 font l'inverse : elles ont tendance rapprocher les p les (voir Figure 17-25). Il n'est pas clair comment la cellule r gule l' quilibre des forces oppos es pour g n rer la longueur de fuseau appropri e. La M-Cdk et d'autres prot ines kinases mitotiques sont n cessaires la s paration et la maturation des centrosomes. M-Cdk et Aurora-A phosphorylent les moteurs de la kin sine-5 et les stimulent pour entra ner la s paration des centrosomes. Aurora-A et Plk phosphorylent galement les composants du centrosome et favorisent ainsi sa maturation. L'ach vement de l'assemblage de la broche dans les cellules animales n cessite une d composition de l'enveloppe nucl aire Les centrosomes et les microtubules des cellules animales sont situ s dans le cytoplasme, s par s des chromosomes par la double barri re membranaire de l'enveloppe nucl aire (discut e au chapitre 12). De toute vidence, la fixation de paires de chromatides s urs au fuseau n cessite la suppression de cette barri re. De plus, de nombreuses prot ines motrices et r gulateurs de microtubules qui favorisent l'assemblage du fuseau sont associ s aux chromosomes l'int rieur du noyau, et ils n cessitent une d gradation de l'enveloppe nucl aire pour remplir leurs fonctions. La d gradation de l'enveloppe nucl aire est un processus complexe en plusieurs tapes, dont on pense qu'il commence lorsque M-Cdk phosphoryle plusieurs sous-unit s des complexes de pores nucl aires dans l'enveloppe nucl aire. Cette phosphorylation initie le d sassemblage des complexes de pores nucl aires et leur dissociation de l'enveloppe. M-CDK Figure 17 26 R plication des centrioles. Le centrosome est constitu d'une paire de centrioles et d'une matrice p ricentriolaire associ e (en vert). un certain point en g1, les deux centrioles de la paire se s parent de quelques microm tres. Au cours de la phase S, un centri
Biologie moléculaire de la cellule	ole fille commence se d velopper pr s de la base de chaque centriole m re et angle droit par rapport celui-ci. L'allongement du centriole fille est g n ralement compl t en g2. Les deux paires de centrioles restent proches l'une de l'autre dans un seul complexe centrosomale jusqu'au d but de la phase m, lorsque le complexe se divise en deux et que les deux centrosomes filles commencent se s parer. Chaque centrosome nucl e maintenant son propre r seau radial de microtubules (appel aster), principalement partir du centriole m re. phosphoryle galement les composants de la lame nucl aire, le cadre structurel sous l'enveloppe. La phosphorylation de ces composants de la lame et de plusieurs prot ines de l'enveloppe nucl aire interne conduit au d sassemblage de la lame nucl aire et la d composition des membranes de l'enveloppe en petites v sicules. La plupart des cellules animales en interphase contiennent un r seau cytoplasmique de microtubules rayonnant partir du centrosome unique. Comme nous l'avons vu au chapitre 16, les microtubules de ce r seau d'interphases sont dans un tat d'instabilit dynamique, dans lequel les microtubules individuels sont soit en croissance, soit en r tr cissement et basculent stochastiquement entre les deux tats. Le passage de la croissance la d croissance s'appelle une catastrophe, et le passage de la d croissance la croissance s'appelle un sauvetage. De nouveaux microtubules sont continuellement cr s pour compenser la perte de ceux qui disparaissent compl tement par d polym risation. L'entr e en mitose signale un changement brusque dans les microtubules de la cellule. Le r seau interphasique de quelques microtubules longs rayonnant partir du centrosome unique est converti en un plus grand nombre de microtubules plus courts et plus dynamiques manant des deux centrosomes. Au cours de la prophase, et en particulier en prom taphase et en m taphase (voir panneau 17 1), la demi-vie des microtubules diminue consid rablement. Cette augmentation de l'instabilit des microtubules, associ e la capacit accrue des centrosomes nucl er les microtubules, comme mentionn pr c demment, se traduit par des r seaux remarquablement denses et dynamiques de microtubules fusiformes qui sont parfaitement adapt s la capture de chromatides s urs. La dynamique des microtubules est contr l e dans la cellule par une vari t de prot ines r gulatrices, y compris les prot ines associ es aux microtubules (MAP) qui favorisent la stabilit et les facteurs de catastrophe qui d stabilisent les extr mit s des microtubules. Les changements dans les activit s de ces prot ines r gulatrices sont responsables des changements dans la dynamique des microtubules qui se produisent pendant la mitose. Beaucoup de ces changements r sultent de la phosphorylation de prot ines sp cifiques par M-Cdk et d'autres prot ines kinases mitotiques. Les chromosomes ne sont pas seulement des passagers passifs dans le processus d'assemblage de la broche. En cr ant un environnement local qui favorise la fois la nucl ation des microtubules et la stabilisation des microtubules, ils jouent un r le actif dans la formation du fuseau. L'influence des chromosomes peut tre d montr e en utilisant une fine aiguille de verre pour les repositionner apr s la formation du fuseau. Pour certaines cellules en m taphase, si un seul chromosome est tir hors de l'alignement, une masse de nouveaux micro-tubules fusiformes appara t rapidement autour du chromosome nouvellement positionn , tandis que les microtubules fusiformes l'ancienne position du chromosome se d polym risent. Cette propri t des chromosomes semble d pendre, au moins en partie, d'un facteur d' change nucl otidique (GEF) de guanine li la chromatine ; le GEF stimule une petite GTPase dans le cytosol appel e Ran pour lier la GTP la place du GDP. Le Ran-GTP activ , qui est galement impliqu dans le transport nucl aire (discut au chapitre 12), lib re des prot ines stabilisatrices de microtubules partir de complexes prot iques dans le cytosol, stimulant ainsi la nucl ation locale et la stabilisation des microtubules autour des chromosomes (Figure 17-27). La stabilisation locale des microtubules est galement favoris e par la prot ine kinase Aurora-B, qui s'associe aux chromosomes mitotiques. Figure 17 27 Activation de la GTPase autour des chromosomes mitotiques. La prot ine Ran, comme d'autres membres de la petite famille des gTpase (discut s au chapitre 15), peut exister en deux conformations selon qu'elle est li e au gdp ( tat inactif) ou au gTp ( tat actif). La localisation de Ran actif en mitose a t d termin e l'aide d'une prot ine qui met une fluorescence une longueur d'onde sp cifique lorsqu'elle est activ e par Ran-gTp. Dans la cellule humaine en m taphase montr e ici, l'activit de Ran (jaune et rouge) est la plus lev e autour des chromosomes, entre les p les du fuseau mitotique (indiqu s par des ast risques). (D'apr s p. kal b et al., Nature
Biologie moléculaire de la cellule	440:697-701, 2006. Avec l'autorisation de macmillan publishers Ltd.) nucl ation, antir ticulation, r ticulation, pouss e vers l'ext rieur, focalisation des p les par la kin sine-5, par la kin sine-4,10, la dyn ine et la kin sine-14 Figure 17 28 Auto-organisation du fuseau par les prot ines motrices. Les chromosomes mitotiques stimulent l'activation locale des prot ines qui nucl ent et favorisent la formation de microtubules au voisinage des chromosomes. Les prot ines motrices de la kin sine-5 (voir les figures 17 25) organisent ces microtubules en faisceaux antiparall les, tandis que les kin sines-4 et 10 dirig es vers l'extr mit positive lient les microtubules aux bras chromosomiques et repoussent les extr mit s n gatives loin des chromosomes. Les moteurs Dynein et Kinesin-14, ainsi que de nombreuses autres prot ines, concentrent ces extr mit s n gatives en une paire de p les de fuseau. La capacit des chromosomes stabiliser et organiser les microtubules permet aux cellules de former des fuseaux bipolaires en l'absence de centrosomes. On pense que l'assemblage du fuseau acentrosomale commence par la formation de microtubules autour des chromosomes. Diverses prot ines motrices organisent ensuite les microtubules en un fuseau bipolaire, comme illustr aux figures 17 et 28. Les cellules qui manquent normalement de centrosomes, comme celles des plantes sup rieures et de nombreux ovocytes animaux, utilisent ce processus d'auto-organisation bas sur les chromosomes pour former des fuseaux. C'est aussi le processus utilis pour assembler les fuseaux de certains embryons animaux qui ont t induits se d velopper partir d' ufs sans f condation (c'est- -dire parth nog n tiquement) ; comme le spermatozo de fournit normalement le centrosome lorsqu'il f conde un ovule, les fuseaux mitotiques de ces embryons parth nog n tiques se d veloppent sans centrosomes (Figure 17 29). M me dans les cellules qui contiennent normalement des centrosomes, les chromosomes aident organiser les microtubules du fuseau et, l'aide de diverses prot ines motrices, peuvent favoriser l'assemblage d'un fuseau mitotique bipolaire si les centrosomes sont retir s. Bien que le fuseau acentrosomale qui en r sulte puisse s parer normalement les chromosomes, il manque de microtubules astraux, qui sont responsables du positionnement du fuseau dans les cellules animales ; En cons quence, le fuseau est souvent mal positionn dans la cellule. les kin tochores attachent les chromatides s urs au fuseau Apr s l'assemblage d'un r seau de microtubules bipolaires, la deuxi me tape majeure de la formation du fuseau est la fixation du r seau aux paires de chromatides s urs. Les microtubules fusiformes se fixent chaque chromatide au niveau de son kin tochore, une structure prot ique g ante et multicouche qui est construite dans la r gion centrom rique de la chromatide (Figure 17-30 ; voir galement le chapitre 4). En m taphase, les extr mit s positives des microtubules kin tochores sont int gr es de front dans des sites d'attache de microtubules sp cialis s dans la r gion externe du kin tochore, la plus loign e de l'ADN. Le kin tochore d'une cellule animale peut lier 10 40 microtubules, tandis qu'un kin tochore de levure en herbe ne peut en lier qu'un seul. La fixation de chaque microtubule d pend de plusieurs copies d'un complexe prot ique en forme de b tonnet appel complexe Ndc80, qui est ancr dans le kin tochore une extr mit et interagit avec les c t s du microtubule l'autre, liant ainsi le microtubule au kin tochore tout en permettant l'ajout ou le retrait de sous-unit s de tubuline cette extr mit (Figure 17 31). La r gulation de la polym risation et de la d polym risation de l'extr mit sup rieure au niveau du kin tochore est essentielle pour le contr le du mouvement des chromosomes sur le fuseau, comme nous le verrons plus loin. L'attachement du kin tochore au fuseau se produit par une s quence complexe d' v nements. la fin de la prophase dans les cellules animales, les centrosomes du fuseau en croissance se trouvent g n ralement sur les c t s oppos s de l'enveloppe nucl aire. Ainsi, lorsque l'enveloppe se d compose, les paires de chromatides s urs sont bombard es par les microtubules Figure 17 29 Assemblage du fuseau bipolaire sans centrosomes dans des embryons parth nog n tiques de l'insecte Sciara (ou moucheron fongique). Les microtubules sont color s en vert, les chromosomes en rouge. La micrographie de fluorescence sup rieure montre un fuseau normal form de centrosomes dans un embryon de Sciara normalement f cond . La micrographie inf rieure montre un fuseau form sans centrosomes chez un embryon qui a initi le d veloppement sans f condation. Notez que le fuseau avec des centrosomes a un aster chaque p le du fuseau, alors que le fuseau form sans centrosomes n'en a pas. Les deux types de fuseaux sont capables de s parer les chromosomes r pliqu s. (D'apr s B. de saint phalle et W. sullivan, J. Cell Biol.
Biologie moléculaire de la cellule	141:1383 1391, 1998. Avec l'autorisation de la presse de l'Universit Rockefeller.) plus des extr mit s provenant de deux directions. Cependant, les kin tochores n'atteignent pas instantan ment la bonne fixation des microtubules aux deux p les de broche. Au lieu de cela, des tudes d taill es en microscopie optique et lectronique montrent que la plupart des attaches initiales sont des attaches lat rales instables, dans lesquelles un kin tochore se fixe sur le c t d'un microtubule passant, avec l'aide des prot ines motrices de la kin sine dans le kin tochochore externe. Bient t, cependant, les extr mit s dynamiques des microtubules plus capturent les kin tochores dans l'orientation correcte (Figure 17 32). Un autre m canisme d'attachement joue galement un r le, notamment en l'absence de centrosomes. Une analyse microscopique minutieuse sugg re que de courts microtubules proximit des chromosomes s'incrustent dans les sites de liaison de l'extr mit positive du kin tochore. La polym risation ces extr mit s positives entra ne alors la croissance des microtubules loin du kin tochore. Les extr mit s n gatives de ces microtubules kin tochores sont finalement r ticul es d'autres extr mit s n gatives et focalis es par des prot ines motrices au p le du fuseau (voir Figure 17-28). Le succ s de la mitose exige que les chromatides s urs d'une paire s'attachent aux p les oppos s du fuseau mitose, de sorte qu'elles se d placent vers les extr mit s oppos es de la cellule dans la direction du mouvement des chromatides Figure 17 30 Le kin tochore. Micrographie fluorescence d'un chromosome en m taphase color avec un colorant fluorescent liant l'ADN et avec des auto-anticorps humains qui r agissent avec des prot ines kin tochores sp cifiques. Les deux kin tochores, l'un associ chaque chromatide s ur, sont color s en rouge. un dessin d'un chromosome en m taphase montrant ses deux chromatides s urs attach es aux extr mit s positives de microtubules de kin tochore. Chaque kin tochore forme une plaque la surface du centrom re. Micrographie lectronique d'une chromatide anaphase avec des microtubules attach s son kin tochore. Alors que la plupart des kin tochores ont une structure trilaminaire, celui montr ici (provenant d'une algue verte) a une structure inhabituellement complexe avec des couches suppl mentaires. (a, avec la permission de B.R. Brinkley ; C, partir de J.d. pickett-Heaps et L.C. Fowke, Aust. J. Biol. Sci. 23:71-92, 1970. Avec l'autorisation de CsIRO.) Figure 17 31 Sites d'attache des microtubules dans le kin tochore. (a) Dans cette micrographie lectronique d'un kin tochore de mammif re, le chromosome est droite et les extr mit s positives de plusieurs microtubules sont int gr es dans le kin tochore externe gauche. (B) La tomographie lectronique (discut e au chapitre 9) a t utilis e pour construire une image tridimensionnelle basse r solution du kin tochore externe en (a). Plusieurs microtubules (de plusieurs couleurs) sont int gr s dans le mat riau fibreux du kin tochore, qui serait compos du complexe NDC80 et d'autres prot ines. (C) Chaque microtubule est attach au kin tochore par des interactions avec plusieurs copies du complexe ndc80 (en bleu). Ce complexe se lie aux c t s du microtubule pr s de son extr mit positive, ce qui permet la polym risation et la d polym risation pendant que le microtubule reste attach au kin tochore. (a et B, d'apr s Y. dong et al., Nature Cell Biol. 9:516-522, 2007. Avec l'autorisation de macmillan publishers Ltd.) + Prom taphase pr coce : Kin tochore lat ral Milieu de la prom taphase : M taphase : Attaches de prophase tardives, bras chromosomiques pouss s vers l'ext rieur Extr mit sur l'attache Bi-orientation Figure 17-32 Fixation des chromosomes au fuseau mitotique dans les cellules animales. (a) Dans la prophase tardive de la plupart des cellules animales, les p les du fuseau mitotique se sont d plac s vers les c t s oppos s de l'enveloppe nucl aire, avec un ensemble de microtubules qui se chevauchent entre eux. (B) Apr s la rupture de l'enveloppe nucl aire, les paires de chromatides s urs sont expos es au grand nombre d'extr mit s positives dynamiques des microtubules rayonnant partir des p les du fuseau. Dans la plupart des cas, les kin tochores sont d'abord fix s sur les c t s de ces microtubules, tandis que dans le m me temps, les bras des chromosomes sont pouss s vers l'ext rieur partir de l'int rieur du fuseau, emp chant les bras de bloquer l'acc s des microtubules aux kin tochors. (C) Finalement, les chromatides s urs attach es lat ralement sont dispos es en anneau autour de l'ext rieur de l'axe. La plupart des microtubules sont concentr s dans cet anneau, de sorte que le fuseau est relativement creux l'int rieur. (d) Les extr mit s dynamiques des microtubules et des extr mit s finissent par rencontrer les kin tochores dans une orientation d'extr mit et sont captur s et stabilis s. (E) une fixation stable aux deux p les
Biologie moléculaire de la cellule	entra ne une bi-orientation. Des microtubules suppl mentaires sont attach s au kin tochore, ce qui donne une fibre kin tochore contenant 10 40 microtubules. Ils se s parent en anaphase. Comment ce mode d'attachement, appel bi-orientation, est-il r alis ? Qu'est-ce qui emp che la fixation des deux kin tochores sur le m me p le de broche ou la fixation d'un kin tochore sur les deux poteaux de broche ? Une partie de la r ponse est que les kin tochores s urs sont construits dans une orientation dos dos, ce qui r duit la probabilit que les deux kin tochores puissent faire face au m me p le de fuseau. N anmoins, des attachements incorrects se produisent, et des m canismes r glementaires l gants ont volu pour les corriger. Les attaches incorrectes sont corrig es par un syst me d'essais et d'erreurs bas sur un principe simple : les attaches incorrectes sont tr s instables et ne durent pas, tandis que les attaches correctes se verrouillent en place. Comment le kin tochore d tecte-t-il un attachement correct ? La r ponse semble tre la tension (figures 17-33). Lorsqu'une paire de chromatides s urs est correctement bi-orient e sur le fuseau, les deux kin tochores sont tir s dans des directions oppos es par de fortes forces vers le p le. La coh sion des chromatides s urs r siste ces forces vers les p les, cr ant des niveaux lev s de tension au sein des kin tochores. Lorsque les chromosomes ne sont pas correctement attach s, par exemple lorsque les deux chromatides s urs sont attach es au m me p le de fuseau, la tension est faible Figure 17 33 Autres formes de fixation du kin tochore aux p les du fuseau. (a) Initialement, un seul microtubule d'un p le de fuseau se lie un kin tochore dans une paire de chromatides s urs. additionnel Les microtubules peuvent alors se lier au chromosome de diverses mani res. un microtubule du m me p le de fuseau peut se fixer l'autre kin tochore s ur, ou des microtubules (C) des deux p les de fuseau peuvent se fixer au m me kin tochore. Ces attaches incorrectes sont cependant instables, de sorte que l'un des deux microtubules a tendance se dissocier. Lorsqu'un microtubule du p le oppos se lie au deuxi me kin tochore, on pense que les kin tochores fr res d tectent la tension travers leurs sites de liaison aux microtubules. Cela d clenche une augmentation de l'affinit de liaison des microtubules, verrouillant ainsi la bonne fixation en place. Et le kin tochore envoie un signal inhibiteur qui rel che l'emprise de son site d'attache des microtubules, permettant ainsi au d tachement de se produire. Lorsque la bi-orientation se produit, la tension lev e au niveau du kin tochore coupe le signal inhibiteur, renfor ant ainsi l'attachement des microtubules. Dans les cellules animales, la tension augmente non seulement l'affinit du site d'attachement, mais conduit galement la fixation de microtubules suppl mentaires au kin tochore. Il en r sulte la formation d'une paisse fibre kin tochore compos e de plusieurs microtubules. Le m canisme de d tection de la tension d pend de la prot ine kinase Aurora-B, qui est associ e au kin tochore et est cens e g n rer le signal inhibiteur qui r duit la force de fixation des microtubules en l'absence de tension. Il phosphoryle plusieurs composants du site d'attache des microtubules, y compris le complexe Ndc80, diminuant l'affinit du site pour un microtubule plus une extr mit . Lorsque la bi-orientation se produit, la tension qui en r sulte r duit d'une mani re ou d'une autre la phosphorylation par Aurora-B, augmentant ainsi l'affinit du site d'attachement (Figure 17 34). Apr s leur fixation aux deux p les du fuseau, les chromosomes sont tir s d'avant en arri re, prenant finalement une position quidistante entre les deux p les, une position appel e plaque de m taphase. Dans les cellules de vert br s, les chromosomes oscillent ensuite doucement au niveau de la plaque de m taphase, en attendant le signal de s paration des chromatides s urs. Le signal est produit, avec un temps de latence pr visible, apr s l'attachement bi-orient du dernier des chromosomes. plusieurs forces agissent sur les chromosomes dans le fuseau De multiples m canismes g n rent les forces qui d placent les chromosomes d'avant en arri re apr s qu'ils ont t attach s au fuseau, et produisent la tension qui est si importante pour la stabilisation des attaches correctes. En anaphase, des forces similaires tirent les chromatides s par es vers les extr mit s oppos es de l'axe. Trois forces principales de la broche sont particuli rement critiques, bien que leur force et leur importance varient diff rents stades de la mitose. La premi re force majeure tire le kin tochore et sa chromatide associ e le long du microtubule kin tochore vers le p le du fuseau. Il est produit par des prot ines au niveau du kin tochore lui-m me. Par un m canisme incertain, la d polym risation l'extr mit positive du microtubule g n re une force qui tire le kin tochore vers le p
Biologie moléculaire de la cellule	le. Cette force tire sur les chromosomes pendant la prom taphase et la m taphase, mais elle est particuli rement importante pour d placer les chromatides s urs vers les p les apr s leur s paration en anaphase. Il est int ressant de noter que cette force vers les p les g n r e par le kin tochore ne n cessite pas d'ATP ou de prot ines motrices. Cela peut sembler invraisemblable au premier abord, mais il a t d montr que les kin tochores purifi s dans un tube essai, sans ATP pr sent, peuvent rester attach s aux microtubules en d polym risation et ainsi se d placer. L' nergie qui entra ne le mouvement est stock e dans le microtubule et est lib r e lorsque le microtubule se d polym rise ; il provient en fin de compte de l'hydrolyse du GTP qui se produit apr s l'ajout d'une sous-unit de tubuline l'extr mit d'un microtubule (discut au chapitre 16). Figure 17 34 Comment la tension peut augmenter l'attachement des microtubules au kin tochore. Ces diagrammes illustrent un m canisme sp culatif par lequel la bi-orientation pourrait augmenter l'attachement des microtubules au kin tochore. Un seul kin tochore est montr pour plus de clart ; Le poteau de la broche est droite. a) Lorsqu'un La paire SisterChromatid est d tach e du fuseau ou attach e un seul p le de broche, il y a peu de tension entre les kin tochores externe et int rieur. La prot ine kinase aurora-B est attach e au kin tochore interne et phosphoryle les sites d'attache des microtubules, y compris le complexe ndc80 (en bleu), dans le kin tochore externe, comme indiqu , r duisant ainsi l'affinit de liaison des microtubules. Les microtubules s'associent et se dissocient donc rapidement, et l'attachement est instable. (B) Lorsque la bi-orientation est atteinte, les forces qui tirent le kin tochore vers le p le du fuseau sont r sist es par des forces qui tirent l'autre kin tochore fr re vers le p le oppos , et la tension r sultante loigne le kin tochore externe du kin tochore int rieur. en cons quence, aurora-B est incapable d'atteindre le kin tochore externe, et les sites d'attache des microtubules ne sont pas phosphoryl s. L'affinit de liaison des microtubules est donc accrue, ce qui entra ne une fixation stable de plusieurs microtubules aux deux kin tochores. La d phosphorylation des prot ines kin tochores externes d pend d'une phosphatase qui n'est pas repr sent e ici. Comment la d polym risation haut de gamme pousse-t-elle le kin tochore vers le p le ? Comme nous l'avons vu pr c demment (voir Figure 17-31C), les complexes Ndc80 dans le kin tochore cr ent de multiples attaches de faible affinit le long du c t du microtubule. Parce que les attaches se brisent et se reforment constamment sur de nouveaux sites, le kin tochore reste attach un microtubule m me lorsque le microtubule se d polym rise. En principe, cela pourrait d placer le kin tochore vers le p le de broche. Une deuxi me force vers les p les est fournie dans certains types de cellules par le flux de microtubules, par lequel les microtubules eux-m mes sont tir s vers les p les du fuseau et d mantel s leurs extr mit s n gatives. Le m canisme sous-jacent ce mouvement vers les p les n'est pas clair, bien qu'il puisse d pendre des forces g n r es par les prot ines motrices et la d polym risation l'extr mit n gative au p le du fuseau. En m taphase, l'ajout de nouvelle tubuline l'extr mit positive d'un microtubule compense la perte de tubuline l'extr mit n gative, de sorte que la longueur des microtubules reste constante malgr le mouvement des microtubules vers le p le du fuseau (Figure 17 35). Tout kin tochore attach un microtubule subissant un tel flux subit une force vers les p les, qui contribue la g n ration de tension au niveau du kin tochore en m taphase. Avec les forces bas es sur le kin tochore discut es ci-dessus, le flux contribue galement aux forces vers les p les qui d placent les chromatides s urs apr s leur s paration en anaphase. Une troisi me force agissant sur les chromosomes est la force d' jection polaire, ou vent polaire. Les moteurs orient s vers la kin sine-4 et 10 sur les bras chromosomiques interagissent avec les microtubules interpolaires et transportent les chromosomes loin des p les du fuseau (voir Figure 17-25). Cette force est particuli rement importante en prom taphase et en m taphase, lorsqu'elle aide pousser les bras chromosomiques hors du fuseau. Cette force pourrait galement aider aligner les paires de chromatides s urs au niveau de la plaque de m taphase (Figure 17-36). L'un des aspects les plus frappants de la mitose dans les cellules de vert br s est le mouvement oscillatoire continu des chromosomes en prom taphase et en m taphase. Lorsqu'ils sont tudi s par vid omicroscopie dans des cellules pulmonaires de triton, on observe que les mouvements passent d'un tat l'autre : un tat vers les p les, lorsque les chromosomes sont attir s vers le p le, et un tat d' loignement du p le, ou neutre, lorsque les forces vers
Biologie moléculaire de la cellule	les p les sont d sactiv es et que la force d' jection polaire repousse les chromosomes Figure 17 35 Flux des microtubules dans le fuseau en m taphase. (a) Pour observer le flux de microtubules, une tr s petite quantit de tubuline fluorescente est inject e dans les cellules vivantes de sorte que des microtubules individuels se forment avec une tr s petite proportion de tubuline fluorescente. Ces microtubules ont un aspect mouchet lorsqu'ils sont observ s par microscopie fluorescence. (B) Micrographie fluorescence d'un fuseau mitotique dans une cellule pith liale pulmonaire de triton vivant. Les chromosomes sont de couleur brune et les taches de tubuline sont rouges. (C) Le mouvement des taches individuelles peut tre suivi par vid omicroscopie en acc l r . Des images de la mince r gion verticale encadr e (fl che) en (B), prises des moments s quentiels, montrent que les mouchetures individuelles se d placent vers les p les une vitesse d'environ 0,75 m/min, indiquant que les microtubules se d placent vers les p les. (d) La longueur des microtubules dans le fuseau m taphas ne change pas de mani re significative car de nouvelles sous-unit s de tubuline sont ajout es l'extr mit du microtubule plus au m me rythme que les sous-unit s de tubuline sont retir es de l'extr mit n gative. (B et C, d'apr s T.J. mitchison et E.d. salmon, Nat. Cell Biol. 3 :E17 21, 2001. Avec l'autorisation de macmillan publishers Ltd.) Prot ines motrices microtubules interpolaires dirig es vers l'extr mit positive ou Astral Kinesin-4,10 du p le. Le basculement entre les deux tats peut d pendre du degr de tension dans le kin tochore. Il a t propos , par exemple, que, lorsque les chromosomes se d placent vers un p le du fuseau, une force d' jection polaire croissante g n re une tension dans le kin tochore le plus proche du p le, d clenchant un passage l' tat d' loignement du p le et entra nant progressivement l'accumulation de chromosomes l' quateur du fuseau. L'apC/C d clenche la s paration des chromatides s urs et l'ach vement de la mitose Une fois que M-Cdk a d clench les processus complexes menant la m taphase, le cycle cellulaire atteint son apog e avec la s paration des chromatides s urs lors de la transition de la m taphase l'anaphase (Figure 17 37). Bien que l'activit de M-Cdk pr pare le terrain pour cet v nement, le complexe favorisant l'anaphase (APC/C) discut pr c demment lance l'interrupteur qui initie la s paration des chromatides s urs en ubiquitylant plusieurs prot ines r gulatrices mitotiques et en d clenchant ainsi leur destruction (voir Figure 17 15A). Au cours de la m taphase, les coh sines qui maintiennent les chromatides s urs ensemble r sistent aux forces vers les p les qui s parent les chromatides s urs. L'anaphase commence par la perte soudaine de la coh sion des chromatides s urs, ce qui permet aux s urs de se s parer et de se d placer vers les p les oppos s du fuseau. L'APC/C initie le processus en ciblant la prot ine inhibitrice securine pour la destruction. Avant l'anaphase, securin Figure 17 36 Comment des forces oppos es peuvent conduire les chromosomes vers la plaque de m taphase. (a) Mise en vidence d'une force d' jection polaire qui loigne les chromosomes des p les du fuseau vers l' quateur du fuseau. Dans cette exp rience, un faisceau laser coupe un chromosome de prom taphase qui est attach un seul p le par un microtubule kin tochore. La partie du chromosome sectionn sans kin tochore est rapidement pouss e loin du p le, tandis que la partie avec le kin tochore se d place vers le p le, refl tant une r pulsion diminu e. (B) un mod le de la fa on dont deux forces oppos es peuvent coop rer pour d placer les chromosomes vers la plaque de m taphase. On pense que les prot ines motrices dirig es vers l'extr mit positive (kin sine-4 et kin sine-10) sur les bras chromosomiques interagissent avec les microtubules pour g n rer la force d' jection polaire, qui pousse les chromosomes vers l' quateur du fuseau (voir Figure 17-25). On pense que les forces vers les p les g n r es par la d polym risation au niveau du kin tochore, ainsi que le flux de microtubules, tirent les chromosomes vers le p le. Figure 17 37 S paration des chromatides s urs l'anaphase. Lors de la transition de la m taphase (a) l'anaphase (B), les chromatides s urs se s parent soudainement et de mani re synchrone et se d placent vers les p les oppos s du fuseau mitotique, comme le montrent ces micrographies optiques de cellules endospermiennes d'Haemanthus (lys) qui ont t color es avec des anticorps marqu s l'or contre la tubuline. (Avec l'aimable autorisation d'andrew Bajer.) se lie une prot ase appel e s parase et inhibe son activit . La destruction de la securine la fin de la m taphase lib re la s parose, qui est alors libre de cliver l'une des sous-unit s de la coh sine. Les coh sines tombent et les chromatides s urs se s parent (Figure 17-38). En plus de la s curine, l'APC/C cible galemen
Biologie moléculaire de la cellule	t les M-cyclines des sables pour la destruction, entra nant la perte de la plupart de l'activit Cdk en anaphase. L'inactivation de Cdk permet aux phosphatases de d phosphoryler les nombreux substrats cibles de Cdk dans la cellule, comme requis pour l'ach vement de la mitose et de la cytokin se. Si l'APC/C d clenche l'anaphase, qu'est-ce qui active l'APC/C ? La r ponse n'est que partiellement connue. Comme mentionn pr c demment, l'activation de l'APC/C n cessite la liaison la prot ine Cdc20 (voir Figure 17 15A). Au moins deux processus r gissent le Cdc20 et son association avec l'APC/C. Tout d'abord, la synth se de Cdc20 augmente mesure que la cellule s'approche de la mitose, en raison d'une augmentation de la transcription de son g ne. Deuxi mement, la phosphorylation de l'APC/C aide Cdc20 se lier l'APC/C, aidant ainsi cr er un complexe actif. Parmi les kinases qui phosphorylent et activent ainsi l'APC/C se trouve la M-Cdk. Ainsi, M-Cdk d clenche non seulement les v nements mitotiques pr coces menant la m taphase, mais il pr pare galement le terrain pour la progression vers l'anaphase. La capacit de M-Cdk promouvoir l'activit Cdc20-APC/C cr e une boucle de r troaction n gative : M-Cdk met en branle un processus de r gulation qui conduit la destruction des cyclines et donc sa propre inactivation. Blocs de chromosomes non attach s S paration des chromatides s urs : l'assemblage du fuseau Point de contr le Les m dicaments qui d stabilisent les microtubules, tels que la colchicine ou la vinblastine (discut s au chapitre 16), arr tent les cellules en mitose pendant des heures, voire des jours. Cette observation a conduit l'identification d'un m canisme de point de contr le d'assemblage du fuseau qui est activ par le traitement m dicamenteux et bloque la progression par la transition m taphase- phase. Le m canisme du point de contr le garantit que les cellules n'entrent pas en anaphase tant que tous les chromosomes ne sont pas correctement bi-orient s sur le fuseau mitose. Le point de contr le de l'assemblage de la broche d pend d'un m canisme de capteur qui surveille la force de fixation des microtubules au niveau du kin tochore, ventuellement en d tectant la tension comme d crit pr c demment (voir Figure 17-34). Tout kin tochore qui n'est pas correctement attach la broche envoie un signal n gatif diffusible qui bloque l'activation de Cdc20-APC/C dans toute la cellule et bloque ainsi le Figure 17 38 L'initiation de la s paration des chromatides s urs par l'APC/C. L'activation de l'apC/C par Cdc20 conduit l'ubiquitylation et la destruction de la s curine, qui maintient normalement la s paration dans un tat inactif. La destruction de la securine permet la s parase de cliver scc1, une sous-unit du complexe de coh sine qui maintient les chromatides s urs ensemble (voir Figure 17-19). Les forces de traction de l'axe mitotique s parent alors les chromatides s urs. Dans les cellules animales, la phosphorylation par Cdks inhibe galement la s paration (non illustr ). Ainsi, l'inactivation de Cdk en anaphase (r sultant de la destruction de la cycline) favorise galement l'activation de la s parase en permettant sa d phosphorylation. transition de m taphase anaphase. Lorsque la derni re paire de chromatides s urs est correctement bi-orient e, ce bloc est retir , ce qui permet la s paration des chromatides s urs. Le signal de point de contr le n gatif d pend de plusieurs prot ines, dont Mad2, qui sont recrut es dans des kin tochores non attach s (Figure 17 39). Des analyses structurales d taill es de Mad2 sugg rent que le kin tochore non attach agit comme une enzyme qui catalyse un changement dans la conformation de Mad2, de sorte que Mad2, avec d'autres prot ines, peut se lier et inhiber Cdc20-APC/C. Dans les cellules somatiques de mammif res, le point de contr le de l'assemblage du fuseau d termine le moment normal de l'anaphase. La destruction de la securine dans ces cellules commence quelques instants apr s que la derni re paire de chromatides s urs soit devenue bi-orient e sur le fuseau, et l'anaphase commence environ 20 minutes plus tard. L'inhibition exp rimentale du m canisme du point de contr le provoque une s paration et une anaphase pr matur es des chromatides s urs. tonnamment, le moment normal de l'anaphase ne d pend pas du point de contr le de l'assemblage du fuseau dans certaines cellules, telles que les levures et les cellules des embryons pr coces de grenouilles et de mouches. D'autres m canismes, encore inconnus, doivent d terminer le moment de l'anaphase dans ces cellules. La perte soudaine de la coh sion des chromatides s urs au d but de l'anaphase conduit la s paration des chromatides s urs, ce qui permet aux forces du fuseau mitotique d'attirer les s urs vers les p les oppos s de la cellule - appel e s gr gation chromosomique. Les chromosomes se d placent par deux processus ind pendants et qui se chevauchent. La premi re, l'anaphase A, est le mouv
Biologie moléculaire de la cellule	ement initial des chromosomes vers les p les, qui s'accompagne d'un raccourcissement des microtubules kin tochores. La seconde, l'anaphase B, est la s paration des p les du fuseau eux-m mes, qui commence apr s la s paration des chromatides s urs et le d placement des chromosomes filles d'une certaine distance (Figure 17-40). Le mouvement des chromosomes en anaphase A d pend d'une combinaison des deux principales forces vers les p les d crites pr c demment. La premi re est la force g n r e par la d polym risation des microtubules au niveau du kin tochore, qui entra ne la perte de sous-unit s de tubuline l'extr mit positive lorsque le kin tochore se d place vers le p le. Le second est fourni par le flux de microtubules, qui est le mouvement vers le p le des micro-tubules vers le p le du fuseau, o se produit la d polym risation l'extr mit n gative. L'importance relative de ces deux forces Au cours de l'anaphase, le mouvement varie selon les types de cellules : dans les cellules embryonnaires, le mouvement des chromosomes d pend principalement du flux de microtubules, par exemple, tandis que le mouvement dans les cellules somatiques de levures et de vert br s r sulte principalement des forces g n r es au niveau du kin tochore. La s paration des p les du fuseau au cours de l'anaphase B d pend de m canismes motoris s similaires ceux qui s parent les deux centrosomes au d but de la mitose. Les prot ines motrices de la kin sine-5 dirig es vers l'extr mit positive, qui r ticulent les extr mit s positives qui se chevauchent des microtubules interpolaires, loignent les p les. De plus, les moteurs dyn ins qui ancrent les extr mit s des microtubules astraux plus au cortex cellulaire cartent les p les (voir Figure 17-25). Bien que la s paration par chromatides s urs initie les mouvements chromosomiques de l'anaphase A, d'autres m canismes assurent galement des mouvements chromosomiques corrects dans l'anaphase A et l'allongement du fuseau dans l'anaphase B. Plus important encore, la r alisation d'une anaphase normale d pend de la d phosphorylation des substrats Cdk, qui dans la plupart des cellules r sulte de la destruction des cyclines d pendante de l'APC/C. Si la destruction de la cycline M est emp ch e, par la production d'une forme mutante qui n'est pas reconnue par l'APC/C, par exemple, la s paration des chromatides s urs se produit g n ralement, mais les mouvements chromosomiques et le comportement des microtubules de l'anaphase sont anormaux. Les contributions relatives de l'anaphase A et de l'anaphase B la s gr gation des chromosomes varient consid rablement selon le type de cellule. Dans les cellules de mammif res, l'anaphase B commence peu de temps apr s l'anaphase A et s'arr te lorsque le fuseau a environ deux fois sa longueur de m taphase ; en revanche, les fuseaux des levures et de certains protozoaires utilisent principalement l'anaphase B pour s parer les chromosomes l'anaphase, et leurs fuseaux s'allongent jusqu' 15 fois leur longueur de m taphase. Figure 17 39 Prot ine Mad2 sur des kin tochores non attach s. Cette micrographie fluorescence montre une cellule de mammif re en prom taphase, avec le fuseau mitotique en vert et les chromatides s urs en bleu. Une paire de chromatides s urs est attach e un seul p le du fuseau. La coloration avec des anticorps anti-MAD2 indique que MAD2 est li au kin tochore de la chromatide s ur non attach e (point rouge, indiqu par une fl che rouge). Une petite quantit de MAD2 est associ e au kin tochore de la chromatide s ur qui est attach e au p le du fuseau (point p le, indiqu par une fl che blanche). (D'apr s J.C. Waters et al., J. Cell Biol. 141:1181-1191, 1998. Avec la permission des auteurs.) Les chromosomes s gr gu s sont emball s dans des noyaux filles la t lophase la fin de l'anaphase, les chromosomes filles se sont s par s en deux groupes gaux aux extr mit s oppos es de la cellule. Dans la t lophase, l' tape finale de la mitose, les deux ensembles de chromosomes sont emball s dans une paire de noyaux filles. Le premier v nement majeur de la t lophase est le d sassemblage du fuseau mitotique, suivi de la reformation de l'enveloppe nucl aire. Initialement, les fragments de membrane nucl aire s'associent la surface des chromosomes individuels. Ces fragments de membrane fusionnent pour enfermer partiellement des amas de chromosomes, puis fusionnent pour reformer l'enveloppe nucl aire compl te. Les complexes de pores nucl aires sont incorpor s dans l'enveloppe, la lame nucl aire se reforme et l'enveloppe redevient continue avec le r ticulum endoplasmique. Une fois que l'enveloppe nucl aire s'est reform e, les complexes de pores pompent des prot ines nucl aires, le noyau se dilate et les chromosomes mitotiques sont r organis s dans leur tat interphasique, permettant la transcription des g nes de reprendre. Un nouveau noyau a t cr , et la mitose est termin e. Il ne reste plus la cellule qu' achever sa division en deux. Nous
Biologie moléculaire de la cellule	avons vu pr c demment que la phosphorylation de diverses prot ines par M-Cdk favorise l'assemblage du fuseau, la condensation des chromosomes et la rupture de l'enveloppe nucl aire au d but de la mitose. Il n'est donc pas surprenant que la d phosphorylation de ces m mes prot ines soit n cessaire au d sassemblage du fuseau et la reformation des noyaux filles en t lophase. En principe, ces d phosphorylations et l'ach vement de la mitose pourraient tre d clench s par l'inactivation des Cdks, l'activation des phosphatases, ou les deux. Bien que l'inactivation de Cdk, r sultant principalement de la destruction des cyclines, soit principalement responsable dans la plupart des cellules, certaines cellules d pendent galement de l'activation des phosphatases. Chez les levures bourgeonnantes, par exemple, l'ach vement de la mitose d pend de l'activation d'une phosphatase appel e Cdc14, qui d phosphoryle un sous-ensemble de substrats de Cdk impliqu dans l'anaphase et la t lophase. M-Cdk d clenche les v nements de la mitose pr coce, notamment la condensation chromosomique, l'assemblage du fuseau mitotique et la fixation bipolaire des paires de chromatides s urs aux microtubules du fuseau. La formation du fuseau dans les cellules animales d pend en grande partie de la capacit des chromosomes mitotiques stimuler la nucl ation et la stabilit locales des microtubules, ainsi que de la capacit des prot ines motrices organiser les micro-tubules en un r seau bipolaire. De nombreuses cellules utilisent galement des centrosomes pour faciliter l'assemblage du fuseau. L'anaphase est d clench e par l'APC/C, qui stimule la destruction de Figure 17 40 Les deux processus d'anaphase dans les cellules de mammif res. Les chromatides s urs s par es se d placent vers les p les en anaphase A. Dans l'anaphase B, les deux p les du fuseau s' cartent. les prot ines qui maintiennent les chromatides s urs ensemble. L'APC/C favorise galement la destruction des cyclines et donc l'inactivation de M-Cdk. La d phosphorylation r sultante des cibles Cdk est n cessaire pour les v nements qui compl tent la mitose, y compris le d sassemblage de l'axe et la reformation de l'enveloppe nucl aire. La derni re tape du cycle cellulaire est la cytokin se, la division du cytoplasme en deux. Dans la plupart des cellules, la cytokin se suit chaque mitose, bien que certaines cellules, telles que les embryons pr coces de drosophile et certains h patocytes et cellules du muscle cardiaque de mammif res, subissent une mitose sans cytokin se et acqui rent ainsi plusieurs noyaux. Dans la plupart des cellules animales, la cytokin se commence en anaphase et se termine peu de temps apr s la fin de la mitose en t lophase. Le premier changement visible de la cytokin se dans une cellule animale est l'apparition soudaine d'un pli, ou sillon de clivage, la surface de la cellule. Le sillon s'approfondit rapidement et s' tend autour de la cellule jusqu' ce qu'il divise compl tement la cellule en deux. La structure sous-jacente ce processus est l'anneau contractile, un assemblage dynamique compos de filaments d'actine, de filaments de myosine II et de nombreuses prot ines structurelles et r gulatrices. Au cours de l'anaphase, l'anneau s'assemble juste sous la membrane plasmique (Figure 17 41 ; voir aussi le panneau 17 1). L'anneau se contracte progressivement et, en m me temps, la fusion des v sicules intracellulaires avec la membrane plasmique ins re une nouvelle membrane adjacente l'anneau. Cet ajout de membrane compense l'augmentation de la surface qui accompagne la division cytoplasmique. Lorsque la contraction de l'anneau est termin e, l'insertion et la fusion de la membrane scellent l'espace entre les cellules filles. l'actine et la myosine II dans l'anneau contractile g n rent la force de cytokin se Dans les cellules interphas es, les filaments d'actine et de myosine II forment un r seau cortical sous-jacent la membrane plasmique. Dans certaines cellules, ils forment galement de grands faisceaux cytoplasmiques appel s fibres de stress (discut s au chapitre 16). Lorsque les cellules entrent en mitose, ces r seaux d'actine et de myosine se d sassemblent ; une grande partie de l'actine se r organise et les filaments de myosine II sont lib r s. Au fur et mesure que les chromatides s urs se s parent en anaphase, l'actine et la myosine II commencent s'accumuler dans le cycle contractile qui s'assemble rapidement (Figure 17-42), qui contient galement de nombreuses autres prot ines qui fournissent un soutien structurel ou aident l'assemblage du cycle. L'assemblage du cycle contractile r sulte en partie de la formation locale de nouveaux filaments d'actine, qui d pend des prot ines de forme que l'actine et la myosine flament de la Figure 17 41 Cytokin se. (a) Les faisceaux d'actine-myosine de l'anneau contractile sont orient s comme indiqu , de sorte que leur contraction tire la membrane vers l'int rieur. (B) Dans cette micrographie lectron
Biologie moléculaire de la cellule	ique balayage faible grossissement d'un uf de grenouille cliv , le sillon de clivage est particuli rement pro minent, car la cellule est exceptionnellement grande. Le sillon de la membrane cellulaire est caus par l'activit de l'anneau contractile situ en dessous. (C) La surface d'un sillon un grossissement plus lev . (B et C, d'apr s H.W. Beams et R.g. Kessel, Am. Sci. 64:279-290, 1976. Avec la permission de sigma Xi.) anneau contractile d'actine et les flaments de myosine dans le sillon de clivage (A) de 0,5 m nucl ent l'assemblage de r seaux parall les de filaments d'actine lin aires et non ramifi s (discut au chapitre 16). Apr s l'anaphase, les r seaux de filaments d'actine et de myosine II qui se chevauchent se contractent pour g n rer la force qui divise le cytoplasme en deux. Une fois que la contraction commence, l'anneau exerce une force assez grande pour plier une fine aiguille de verre qui est ins r e sur son chemin. Au fur et mesure que l'anneau se contracte, il conserve la m me paisseur, ce qui sugg re que son volume total et le nombre de filaments qu'il contient diminuent r guli rement. De plus, contrairement l'actine dans le muscle, les filaments d'actine dans l'anneau sont tr s dynamiques et leur arrangement change continuellement au cours de la cytokin se. L'anneau contractile est finalement compl tement supprim lorsque le clivage se termine, car la membrane plasmique du sillon de clivage se r tr cit pour former le milieu du corps. Le milieu du corps persiste comme un lien entre les deux cellules filles et contient les restes du fuseau central, une grande structure prot ique d riv e des microtubules interpolaires anti-parall les de la zone m diane du fuseau, troitement regroup s dans un mat riau matriciel dense (Figure 17-43). Une fois que les cellules filles se sont compl tement s par es, certains des composants du corps m dian r siduel restent souvent l'int rieur de la membrane plasmique de chaque cellule, o ils peuvent servir de marque sur le cortex qui aide orienter le fuseau dans la division cellulaire ult rieure. Activation locale des d clencheurs Rhoa : assemblage et contraction de l'anneau contractile RhoA, une petite GTPase de la superfamille Ras (voir Tableau 15 5), contr le l'assemblage et la fonction de l'anneau contractile au site de clivage. RhoA est activ au niveau du cortex cellulaire au niveau du futur site de division, o il favorise la formation de filaments d'actine, l'assemblage de la myosine II et la contraction de l'anneau. Il stimule la formation de filaments d'actine en activant les formines, et il favorise l'assemblage et les contractions de la myosine II en activant plusieurs prot ines kinases, y compris la kinase Rho-activated Rock (Figure 17-44). Ces kinases phosphorylent la cha ne l g re r gulatrice de la myosine, une sous-unit de la myosine II, stimulant ainsi la formation de filaments bipolaires de la myosine II et l'activit motrice. On pense que RhoA est activ par un facteur d' change de nucl otides de guanine (Rho-GEF), qui se trouve dans le cortex cellulaire au site de division future et stimule la lib ration de GDP et la liaison de GTP RhoA (voir Figure 17 44). Nous savons peu de choses sur la fa on dont le RhoGEF est localis ou activ au site de division, bien que les microtubules du fuseau d'anaphase semblent tre impliqu s, comme nous le verrons ci-dessous. Les microtubules du fuseau mitotique d terminent le plan de division cellulaire de l'animal Le probl me central de la cytokin se est de savoir comment s'assurer que la division se produit au bon moment et au bon endroit. La cytokin se ne doit se produire qu'apr s que les deux ensembles de chromosomes sont compl tement s par s l'un de l'autre, et le site de division doit Figure 17 42 L'anneau contractile. a) le dessin du sillon de clivage dans une cellule de division. (B) une micrographie lectronique du bord incarn d'un sillon de clivage d'une cellule animale en division. (C) Micrographies fluorescence d'une amibe en division de moisissure visqueuse color e pour l'actine (rouge) et la myosine II (vert). Alors que toute la myosine II visible s'est redistribu e vers le cycle contractile, seule une partie de l'actine l'a fait ; Le reste reste dans le cortex des cellules filles naissantes. (B, de H.W. Beams et R.g. kessel, Am. Sci. 64:279-290, 1976. Avec l'autorisation de Sigma Xi ; C, avec l'aimable autorisation de Yoshio Fukui.) tre plac entre les deux ensembles de chromosomes filles, garantissant ainsi que chaque cellule fille re oit un ensemble complet. Le bon moment et le bon positionnement de la cytokin se dans les cellules animales sont obtenus par des m canismes qui d pendent du fuseau mitotique. Au cours de l'anaphase, le fuseau g n re des signaux qui initient la formation d'un sillon mi-chemin entre les p les du fuseau, assurant ainsi que la division se produit entre les deux ensembles de chromosomes s par s. tant donn que ces signaux proviennen
Biologie moléculaire de la cellule	t du fuseau d'anaphase, ce m canisme contribue galement au bon moment de la cytokin se en fin de mitose. La cytokin se se produit galement au bon moment car la d phosphorylation des substrats Cdk, qui d pend de la destruction de la cycline en m taphase et en anaphase, initie la cytokin se. Nous d crivons maintenant ces m canismes de r gulation plus en d tail, en mettant l'accent sur la cytokin se dans les cellules animales. L' tude des ufs f cond s d'invert br s marins a d'abord r v l l'importance des microtubules fusiformes dans la d termination de l'emplacement de l'anneau contractile. Apr s la f condation, ces embryons se clivent rapidement sans p riodes de croissance interm diaires. De cette fa on, l'ovule d'origine est progressivement divis en cellules de plus en plus petites. Comme le cytoplasme est clair, le fuseau peut tre observ en temps r el au microscope. Si le fuseau est tir dans une nouvelle position avec une fine aiguille de verre au d but de l'anaphase, le sillon de clivage naissant dispara t et un nouveau se d veloppe en accord avec le nouveau site du fuseau, ce qui soutient l'id e que les signaux g n r s par le fuseau induisent la formation locale de sillons. Comment le fuseau mitotique sp cifie-t-il le site de division ? Trois m canismes g n raux ont t propos s, et la plupart des cellules semblent utiliser une combinaison de ceux-ci (Figure 17-45). Le premier est appel le mod le de stimulation astrale, dans lequel le Figure 17 43 Le milieu du corps. a) une micrographie lectronique balayage d'une cellule animale en culture en division ; Le milieu du corps relie toujours les deux cellules filles. (B) une micrographie lectronique conventionnelle du milieu du corps d'une cellule animale en division. Le clivage est presque termin , mais les cellules filles restent attach es par ce mince brin de cytoplasme contenant les restes du fuseau central. (a, avec l'aimable autorisation de Guenter Albrecht-Buehler ; B, avec la permission de J.m. mullins.) Assemblage et contraction d'un cycle actine-myosine Figure 17 44 R gulation de l'anneau contractile par la GTPase RhoA. Comme les autres gTpases de la famille Rho, Rhoa est activ e par une prot ine RhogEF et inactiv e par une prot ine activatrice de la gTpase Rho (Rhogap). La forme active de Rhoa est concentr e sur le futur site de clivage. En liant les formines, Rhoa activ e favorise l'assemblage des filaments d'actine dans le cycle contractile. En activant les prot ines kinases activ es par Rho, telles que Rock, il stimule la formation et l'activit des filaments de la myosine II, favorisant ainsi la contraction de l'anneau. Les microtubules astraux portent des signaux induisant des sillons, qui sont en quelque sorte concentr s dans un anneau sur le cortex cellulaire, mi-chemin entre les p les du fuseau. Les preuves de ce mod le proviennent d'exp riences ing nieuses dans de grandes cellules embryonnaires, qui d montrent qu'un sillon de clivage se forme mi-chemin entre deux asters, m me lorsque les deux centrosomes nucl ant les asters ne sont pas reli s l'un l'autre par un fuseau mitotique (Figure 17-46). Une deuxi me possibilit , appel e mod le de stimulation du fuseau central, est que la zone m diane du fuseau, ou fuseau central, g n re un signal induisant un sillon qui sp cifie le site de formation du sillon au niveau du cortex cellulaire (voir Figure 17-45). Les microtubules interpolaires qui se chevauchent du fuseau central s'associent de nombreuses prot ines de signalisation, y compris des prot ines qui peuvent stimuler RhoA (Figure 17 47). Des d fauts dans les fonctions de ces prot ines (chez les mutants de la drosophile, par exemple) entra nent une d faillance de la cytokin se. Un troisi me mod le propose que, dans certains types de cellules, les microtubules astraux favorisent la relaxation locale des faisceaux d'actine-myosine au niveau du cortex cellulaire. Selon ce mod le de relaxation astrale, la relaxation corticale est minimale l' quateur du fuseau, favorisant ainsi la contraction corticale cet endroit (voir Figure 17-45). Chez les embryons pr coces de Caenorhabditis elegans, par exemple, les traitements qui entra nent la perte de microtubules astraux entra nent une augmentation de l'activit contractile dans tout le cortex cellulaire, conform ment ce mod le. Dans certains types de cellules, le site d'assemblage de l'anneau est choisi avant la mitose. Chez les levures bourgeonnantes, par exemple, un anneau de prot ines appel es septines s'assemble la fin de G1 sur le site de la future division. On pense que les septines forment un chafaudage sur lequel s'assemblent d'autres composants de l'anneau contractile, y compris la myosine II. Dans les cellules v g tales, une bande organis e de microtubules et de filaments d'actine, appel e bande de pr prophase, s'assemble juste avant la mitose et marque le site o la paroi cellulaire va s'assembler et diviser la cellule en deux, comme nous le voyons mainten
Biologie moléculaire de la cellule	ant. Le clivage des deux noyaux se produit la fois entre les centrosomes entrent en mitose reli s par des fuseaux mitotiques et entre les deux centrosomes qui sont simplement adjacents, et quatre cellules filles se forment Figure 17 45 Trois mod les actuels de la fa on dont les microtubules du fuseau d'anaphase g n rent des signaux qui influencent le positionnement de l'anneau contractile. Aucun mod le unique n'explique toutes les observations, et le positionnement des sillons est probablement d termin par une combinaison de ces m canismes, l'importance des diff rents m canismes variant selon les organismes. Voir le texte pour plus de d tails. Figure 17 46 Une exp rience d montrant l'influence de la position des asters microtubulaires sur le plan de clivage ult rieur dans un grand ovule. Si le fuseau mitotique est pouss m caniquement d'un c t de la cellule l'aide d'une bille de verre, le sillon de la membrane est incomplet et ne se produit pas du c t oppos de la cellule. Les clivages ult rieurs se produisent non seulement dans la zone m diane de chacun des deux fuseaux mitotiques suivants (pointes de fl ches jaunes), mais galement entre les deux asters adjacents qui ne sont pas reli s par un fuseau mitotique, mais dans cette cellule anormale partagent le m me cytoplasme (pointe de fl che rouge). Apparemment, l'anneau contractile qui produit le sillon de clivage dans ces cellules se forme toujours dans la r gion mi-chemin entre deux asters, ce qui sugg re que les asters modifient d'une mani re ou d'une autre la r gion adjacente du cortex cellulaire pour induire la formation de sillons entre eux. Le phragmoplaste guide la cytokin se chez les plantes sup rieures Dans la plupart des cellules animales, le mouvement vers l'int rieur du sillon de clivage d pend d'une augmentation de la surface de la membrane plasmique. Une nouvelle membrane est ajout e sur le bord interne du sillon de clivage et est g n ralement fournie par de petites v sicules membranaires qui sont transport es sur des microtubules de l'appareil de Golgi vers le sillon. Le d p t membranaire est particuli rement important pour la cytokin se dans les cellules v g tales sup rieures. Ces cellules sont entour es d'une paroi cellulaire semi-rigide. Plut t qu'un anneau contractile divisant le cytoplasme de l'ext rieur vers l'int rieur, le cytoplasme de la cellule v g tale est partitionn de l'int rieur vers l'ext rieur par la construction d'une nouvelle paroi cellulaire, appel e plaque cellulaire, entre les deux noyaux filles (Figure 17-48). L'assemblage de la plaque cellulaire commence la fin de l'anaphase et est guid par une structure appel e phragmoplaste, qui contient des microtubules d riv s du fuseau mitotique. Les prot ines motrices transportent de petites v sicules le long de ces microtubules de l'appareil de Golgi au centre de la cellule. Ces v sicules, remplies de polysaccharides et de glycoprot ines n cessaires la synth se de la nouvelle paroi cellulaire, fusionnent pour former une structure en forme de disque et entour e d'une membrane appel e plaque cellulaire pr coce. La plaque s' tend vers l'ext rieur de Figure 17 48 Cytokin se dans une cellule v g tale en t lophase. Dans cette micrographie optique, la plaque cellulaire pr coce (entre les deux pointes de fl ches) s'est form e dans un plan perpendiculaire au plan de la page. Les microtubules du fuseau sont color s avec des anticorps marqu s l'or contre la tubuline, et l'ADN dans les deux ensembles de chromosomes filles est color avec un colorant fluorescent. Notez qu'il n'y a pas de microtubules astraux, car il n'y a pas de centrosomes dans les cellules v g tales sup rieures. (Avec l'aimable autorisation d'andrew Bajer.) Figure 17 47 Localisation des r gulateurs de la cytokin se au niveau du fuseau central de la cellule humaine. (a) au centre se trouve une cellule humaine cultiv e au d but de la cytokin se, montrant les emplacements de la gTpase Rhoa (rouge) et d'une prot ine appel e Cyk4 (vert), qui est l'une des nombreuses prot ines r gulatrices qui forment des complexes aux extr mit s plus chevauchantes des microtubules interpolaires. On pense que ces prot ines g n rent des signaux qui aident contr ler l'activit de Rhoa au niveau du cortex cellulaire. (B) Lorsque la m me image tridimensionnelle est visualis e dans le plan de l'anneau contractile, comme illustr ici, Rhoa (en rouge) est vu comme un anneau sous la surface de la cellule, tandis que la prot ine centrale du fuseau Cyk4 (en vert) est associ e des faisceaux de microtubules dispers s dans tout le plan quatorial de la cellule. (Avec l'aimable autorisation d'Alisa Piekny et Michael Glotzer.) fusion v siculaire jusqu' ce qu'elle atteigne la membrane plasmique et la paroi cellulaire d'origine et divise la cellule en deux. Plus tard, des microfibrilles de cellulose sont d pos es dans la matrice de la plaque cellulaire pour achever la construction de la nouvelle paroi cellulaire (Figure 17-49). Les
Biologie moléculaire de la cellule	organites enferm s dans une membrane doivent tre distribu s aux cellules filles pendant la cytokin se Le processus de mitose garantit que chaque cellule fille re oit un compl ment complet de chromosomes. Cependant, lorsqu'une cellule eucaryote se divise, chaque cellule fille doit galement h riter de tous les autres composants cellulaires essentiels, y compris les organites entour s de membrane. Comme nous l'avons vu au chapitre 12, les organites tels que les mitochondries et les chloroplastes ne peuvent pas tre assembl s de novo partir de leurs composants individuels ; Ils ne peuvent survenir que par la croissance et la division des organites pr existants. De m me, les cellules ne peuvent pas fabriquer un nouveau r ticulum endoplasmique (RE) moins qu'une partie de celui-ci ne soit d j pr sente. Comment, alors, les diff rents organites entour s de membranes se s parent-ils lorsqu'une cellule se divise ? Les organites tels que les mitochondries et les chloroplastes sont g n ralement pr sents en nombre suffisamment important pour tre h rit s en toute s curit si, en moyenne, leur nombre double environ une fois par cycle. Le RE dans les cellules interphasiques est continu avec la membrane nucl aire et est organis par le cytosquelette des microtubules. Lors de l'entr e en phase M, la r organisation des microtubules et la rupture de l'enveloppe nucl aire lib rent le RE. Dans la plupart des cellules, le RE reste en grande partie intact et est coup en deux lors de la cytokin se. L'appareil de Golgi est r organis et fragment au cours de la mitose. Les fragments de Golgi s'associent aux p les du fuseau et sont ainsi distribu s aux extr mit s oppos es du fuseau, garantissant que chaque cellule fille h rite des mat riaux n cessaires la reconstruction du Golgi en t lophase. certaines cellules repositionnent leur fuseau pour se diviser de mani re asym trique La plupart des cellules animales se divisent sym triquement : l'anneau contractile se forme autour de l' quateur de la cellule m re, produisant deux cellules filles de taille gale et avec les m mes composants. Cette sym trie r sulte de la position du fuseau mitotique, qui dans la plupart des cas a tendance se centrer dans le cytoplasme. Les microtubules astraux et les prot ines motrices qui poussent ou tirent sur ces microtubules contribuent au processus de centrage. Cependant, il existe de nombreux cas en cours de d veloppement o les cellules se divisent de mani re asym trique pour produire deux cellules qui diff rent par leur taille, par le contenu cytoplasmique dont elles h ritent ou par les deux. Habituellement, les deux cellules filles diff rentes sont destin es se d velopper Figure 17 49 Les particularit s de la cytokin se dans une cellule v g tale sup rieure. Le plan de division est tabli avant la phase m par une bande de microtubules et de filaments d'actine (la bande de pr prophase) au niveau du cortex cellulaire. Au d but de la t lophase, apr s la s gr gation des chromosomes, une nouvelle paroi cellulaire commence s'assembler l'int rieur de la cellule l' quateur de l'ancien fuseau. Les microtubules interpolaires du fuseau mitotique restant en t lophase forment le phragmoplaste. Les extr mit s positives de ces microtubules ne se chevauchent plus mais se terminent l' quateur cellulaire. Les v sicules d riv es de Golgi, remplies de mat riau de paroi cellulaire, sont transport es le long de ces microtubules et fusionnent pour former la nouvelle paroi cellulaire, qui se d veloppe vers l'ext rieur pour atteindre la membrane plasmique et la paroi cellulaire d'origine. La membrane plasmique et la membrane entourant la nouvelle paroi cellulaire fusionnent, s parant les deux cellules filles. le long de diff rents chemins. Pour cr er des cellules filles avec des destins diff rents de cette mani re, la cellule m re doit d'abord s parer certains composants (appel s d terminants du destin cellulaire) d'un c t de la cellule, puis positionner le plan de division de mani re ce que la cellule fille appropri e h rite de ces composants (Figure 17-50). Pour positionner le plan de division de mani re asym trique, la broche doit tre d plac e de mani re contr l e l'int rieur de la cellule de division. Il semble probable que des changements dans les r gions locales du cortex cellulaire dirigent ces mouvements du fuseau et que les prot ines motrices qui y sont localis es tirent l'un des p les du fuseau, via ses microtubules astraux, vers la r gion appropri e. Des analyses g n tiques chez C. elegans et Drosophila ont identifi certaines des prot ines n cessaires de telles divisions asym triques, et certaines de ces prot ines semblent avoir un r le similaire chez les vert br s. Bien que la division nucl aire soit g n ralement suivie d'une division cytoplasmique, il existe des exceptions. Certaines cellules subissent plusieurs cycles de division nucl aire sans qu'aucune division cytoplasmique n'intervienne. Dans l'embryon pr coce de drosop
Biologie moléculaire de la cellule	hile, par exemple, les 13 premiers cycles de division nucl aire se produisent sans division cytoplasmique, ce qui entra ne la formation d'une seule grande cellule contenant plusieurs milliers de noyaux, dispos s en une monocouche pr s de la surface. Une cellule dans laquelle plusieurs noyaux partagent le m me cytoplasme s'appelle un syncytium. Cette disposition acc l re consid rablement le d veloppement pr coce, car les cellules n'ont pas prendre le temps de passer par toutes les tapes de la cytokin se pour chaque division. Apr s ces divisions nucl aires rapides, des membranes sont cr es autour de chaque noyau dans un cycle de cytokin se coordonn e appel cellularisation. La membrane plasmique s' tend vers l'int rieur et, l'aide d'un anneau d'actine et de myosine, pince pour enfermer chaque noyau (Figure 17 51). La division nucl aire sans cytokin se se produit galement dans certains types de cellules de mammif res. Les m gacaryocytes, qui produisent des plaquettes sanguines, et certains h patocytes et cellules musculaires cardiaques, par exemple, deviennent multinucl s de cette mani re. Apr s la cytokin se, la plupart des cellules entrent en G1, dans lequel les Cdk sont principalement inactifs. Nous terminons cette section en discutant de la fa on dont cet tat est atteint la fin de la phase M. La phase g1 est un tat stable d'inactivit Cdk Un v nement r glementaire cl de la fin de la phase M est l'inactivation des Cdks, qui est principalement due la destruction des cyclines d pendantes de l'APC/C. Comme d crit pr c demment, l'inactivation de Cdks la fin de la phase M a de nombreuses fonctions : elle d clenche les v nements de mitose tardive, favorise la cytokin se et permet la synth se de complexes pr r plicatifs aux origines de r plication de l'ADN. Il fournit galement un m canisme de r initialisation de l' Figure 17 50 Une division cellulaire asym trique s gr gation des composants cytoplasmiques en une seule cellule fille. Ces micrographies optiques illustrent la s gr gation asym trique contr l e de composants cytoplasmiques sp cifiques dans une cellule fille lors de la premi re division d'un uf f cond du n matode C. elegans. L'ovule f cond est montr dans les micrographies de gauche et les deux cellules filles dans les micrographies de droite. Les cellules ci-dessus ont t color es avec un colorant fluorescent bleu, liant l'ADN, pour montrer le noyau (et les corps polaires) ; Ils sont observ s la fois par microscopie contraste diff rentiel et par fluorescence. Les cellules ci-dessous sont les m mes cellules color es avec un anticorps contre les granules p et observ es par microscopie fluorescence. Ces petits granules sont constitu s d'ARN et de prot ines et d terminent quelles cellules deviennent des cellules germinales. Ils sont distribu s de mani re al atoire dans le cytoplasme de l'ovule non f cond (non illustr ), mais se s parent du p le post rieur de l'ovule f cond . Le plan de clivage est orient de mani re ce que seule la cellule fille post rieure re oive les p-granules lorsque l' uf se divise. Le m me processus de s gr gation se r p te dans plusieurs divisions cellulaires ult rieures, de sorte que les p-granules ne se retrouvent que dans les cellules qui donnent naissance aux ovules et aux spermatozo des. (Avec l'aimable autorisation de Susan Strome.) Figure 17 51 Mitose sans cytokin se chez l'embryon pr coce de drosophile. (a) Les 13 premi res divisions nucl aires se produisent de mani re synchrone et sans division cytoplasmique pour cr er un grand syncytium. La plupart des noyaux migrent vers le cortex, et la membrane plasmique s' tend vers l'int rieur et se pince pour entourer chaque noyau afin de former des cellules individuelles dans un processus appel cellularisation. (B) Micrographie fluorescence de plusieurs fuseaux mitotiques dans un embryon de drosophile avant cellularisation. Les microtubules sont color s en vert et les centrosomes en rouge. Notez que tous les noyaux traversent le cycle de mani re synchrone ; Ici, ils sont tous en m taphase, les chromosomes non marqu s tant vus comme une bande sombre l' quateur du fuseau. (B, avec l'aimable autorisation de Kristina Yu et William Sullivan.) un tat d'inactivit Cdk lorsque la cellule se pr pare entrer dans un nouveau cycle cellulaire. Dans la plupart des cellules, cet tat d'inactivit de Cdk g n re une phase d' cart G1, au cours de laquelle la cellule se d veloppe et surveille son environnement avant de s'engager dans un nouveau cycle cellulaire. Chez les embryons animaux pr coces, l'inactivation de M-Cdk la fin de la mitose est due presque enti rement l'action de Cdc20-APC/C, dont nous avons parl plus haut. Rappelons toutefois que M-Cdk stimule l'activit de Cdc20-APC/C. Ainsi, la destruction de la M-cycline en fin de mitose conduit rapidement l'inactivation de toute activit APC/C dans une cellule embryonnaire. Cette inactivation APC/C imm diatement apr s la mitose est particul
Biologie moléculaire de la cellule	i rement utile dans les cycles cellulaires embryonnaires rapides, car elle permet la cellule de commencer rapidement accumuler de nouvelles M-cyclines pour le cycle suivant (Figure 17 52A). L'accumulation rapide de cyclines imm diatement apr s la mitose n'est cependant pas utile pour les cellules dans lesquelles une phase G1 est n cessaire pour permettre le contr le de l'entr e dans le cycle cellulaire suivant. Ces cellules utilisent plusieurs m canismes pour emp cher la r activation de Cdk apr s la mitose. Un m canisme utilise une autre prot ine activatrice APC/C appel e Cdh1, mentionn e pr c demment comme un proche parent de Cdc20 (voir Tableau 17 2). Bien que Cdh1 et Cdc20 se lient l'APC/C et l'activent, ils diff rent sur un point important. Alors que M-Cdk active le complexe Cdc20-APC/C, il inhibe le complexe Cdh1-APC/C en phosphorylant directement Cdh1. En raison de cette relation, l'activit de Cdh1-APC/C augmente en mitose tardive apr s que le complexe Cdc20-APC/C a initi la destruction de la M-cycline. La destruction de la M-cycline se poursuit donc apr s la mitose : bien que l'activit de Cdc20 APC/C ait diminu , l'activit de Cdh1 APC/C est lev e (Figure 17 52B). Un deuxi me m canisme qui supprime l'activit de Cdk dans G1 d pend de l'augmentation de la production de CKI, les prot ines inhibitrices de Cdk dont nous avons parl pr c demment. Les cellules de levure bourgeonnantes, dans lesquelles ce m canisme est le mieux compris, contiennent une prot ine CKI appel e Sic1, qui se lie et inactive M-Cdk la fin de la mitose et de G1 (voir Figure 17 52 La cr ation d'une phase G1 par inhibition stable de Cdk apr s mitose. (a) Dans les cycles cellulaires embryonnaires pr coces, l'activit de Cdc20-apC/C augmente la fin de la m taphase, d clenchant la destruction de la m-cycline. Parce que l'activit m-Cdk stimule l'activit Cdc20-apC/C, la perte de m-cycline entra ne l'inactivation de l'apC/C apr s la mitose, ce qui permet aux m-cyclines de recommencer s'accumuler. (B) Dans les cellules qui ont une phase g1, la baisse de l'activit de m-Cdk en fin de mitose conduit l'activation de Cdh1 apC/C (ainsi qu' l'accumulation de prot ines inhibitrices de Cdk ; non illustr ). Cela garantit une suppression continue de l'activit de Cdk apr s la mitose, comme requis pour une phase g1. (A) cellules embryonnaires sans activit Cdc20-APC/C en phase G1 (B) cellules avec activit Cdc20-APC/C en phase G1 Tableau 17 2). Comme Cdh1, Sic1 est inhib par M-Cdk, qui phosphoryle Sic1 pendant la mitose et favorise ainsi son ubiquitylation par SCF. Ainsi, Sic1 et M-Cdk, comme Cdh1 et M-Cdk, s'inhibent mutuellement. En cons quence, le d clin de l'activit de M-Cdk qui se produit la fin de la mitose provoque l'accumulation de la prot ine Sic1, et cette CKI aide maintenir l'activit de M-Cdk un faible niveau apr s la mitose. Une prot ine CKI appel e p27 (voir Figure 17-14) peut remplir des fonctions similaires dans les cellules animales. Dans la plupart des cellules, la diminution de la transcription des g nes M-cycline inactive galement les M-Cdks la fin de la mitose. Chez les levures bourgeonnantes, par exemple, M-Cdk favorise l'expression de ces g nes, ce qui entra ne une boucle de r troaction positive. Cette boucle est d sactiv e lorsque les cellules sortent de la mitose : l'inactivation de M-Cdk par Cdh1 et Sic1 entra ne une diminution de la transcription du g ne M-cycline et donc une diminution de la synth se de M-cycline. Les prot ines r gulatrices des g nes qui favorisent l'expression des S-cyclines G1/Sand sont galement inhib es pendant G1. Ainsi, l'activation de Cdh1-APC/C, l'accumulation de CKI et la diminution de l'expression du g ne de la cycline agissent ensemble pour garantir que la phase pr coce de G1 est une p riode o pratiquement toute l'activit de Cdk est supprim e. Comme dans de nombreux autres aspects du contr le du cycle cellulaire, l'utilisation de plusieurs m canismes de r gulation permet au syst me de fonctionner avec une efficacit raisonnable, m me si un m canisme tombe en panne. Alors, comment la cellule s' chappe-t-elle de cet tat stable G1 pour initier un nouveau cycle cellulaire ? La r ponse est que l'activit G1/S-Cdk, qui augmente la fin de G1, lib re tous les m canismes de freinage qui suppriment l'activit Cdk, comme nous le d crirons plus loin, dans la derni re section de ce chapitre. Une fois que la mitose a termin la formation d'une paire de noyaux filles, la cytokin se termine le cycle cellulaire en divisant la cellule elle-m me. La cytokin se d pend d'un anneau de filaments d'actine et de myosine qui se contracte tardivement mitose un endroit mi-chemin entre les chromosomes s par s. Dans les cellules animales, le positionnement de l'anneau contractile est d termin par des signaux manant des microtubules du fuseau d'anaphase. La d phosphorylation des cibles Cdk, qui r sulte de l'inactivation de Cdk en anaphase, d clenche la cytokin se au bon mome
Biologie moléculaire de la cellule	nt apr s l'anaphase. Apr s la cytokin se, la cellule entre dans un tat G1 stable de faible activit Cdk, o elle attend les signaux pour entrer dans un nouveau cycle cellulaire. La plupart des organismes eucaryotes se reproduisent sexuellement : les g nomes de deux parents se m langent pour g n rer une prog niture g n tiquement distincte de l'un ou l'autre parent. Les cellules de ces organismes sont g n ralement diplo des, c'est- -dire qu'elles contiennent deux copies l g rement diff rentes, ou homologues, de chaque chromosome, une de chaque parent. La reproduction sexu e d pend d'un processus de division nucl aire sp cialis appel m iose, qui produit des cellules haplo des ne portant qu'une seule copie de chaque chromosome. Dans de nombreux organismes, les cellules haplo des se diff rencient en cellules reproductrices sp cialis es appel es gam tes, c'est- -dire les ovules et les spermatozo des chez la plupart des esp ces. Chez ces esp ces, le cycle de reproduction se termine lorsqu'un spermatozo de et un ovule fusionnent pour former un zygote diplo de, qui a le potentiel de former un nouvel individu. Dans cette section, nous examinons les m canismes de base et la r gulation de la m iose, en mettant l'accent sur la fa on dont ils se comparent ceux de la mitose. La m iose comprend deux cycles de s gr gation chromosomique La m iose r duit de moiti le nombre de chromosomes en utilisant bon nombre des m mes machines mol culaires et syst mes de contr le qui fonctionnent en mitose. Comme dans le cycle cellulaire mitotique, la cellule commence le programme m iotique en dupliquant ses chromosomes dans la phase S m iotique, ce qui donne des paires de chromatides s urs qui sont troitement li es sur toute leur longueur par des complexes de coh sine. Contrairement la mitose, cependant, deux cycles successifs de s gr gation chromosomique se produisent alors (Figure 17 53). La premi re de ces divisions (m iose I) r sout le probl me, propre la m iose, de la s gr gation des homologues. Les homologues paternels et maternels dupliqu s s'apparient et deviennent physiquement li s par le processus de recombinaison g n tique. Ces paires d'homologues, contenant chacune une paire de chromatides s urs, s'alignent ensuite sur le premier fuseau m iotique. Dans la premi re anaphase m iotique, les homo-logs dupliqu s plut t que les chromatides s urs sont s par s et s par s dans les deux noyaux filles. Ce n'est que dans la deuxi me division (m iose II), qui se produit sans r plication suppl mentaire de l'ADN, que les chromatides s urs sont s par es et s par es (comme dans la mitose) pour produire des noyaux filles haplo des. De cette fa on, chaque noyau diplo de qui entre dans la m iose produit quatre noyaux haplo des, chacun contenant soit la copie maternelle soit paternelle de chaque chromosome, mais pas les deux (film 17.7). Figure 17 53 Comparaison de la m iose et de la mitose. Pour plus de clart , une seule paire de chromosomes homologues (homologues) est repr sent e. (a) La m iose est une forme de division nucl aire dans laquelle un seul cycle de duplication chromosomique (phase S m iotique) est suivi de deux cycles de s gr gation chromosomique. Les homologues dupliqu s, chacun constitu de chromatides s urs troitement li es, s'apparient et sont s par s en diff rents noyaux filles dans la m iose I ; les chromatides s urs sont s par es dans la m iose II. comme l'indique la formation de chromosomes en partie rouges et en partie gris, l'appariement homologue dans la m iose conduit une recombinaison g n tique (crossing-over) au cours de la m iose I. Chaque cellule diplo de qui entre en m iose produit donc quatre noyaux haplo des g n tiquement diff rents, qui sont distribu s par cytokin se en cellules haplo des qui se diff rencient en gam tes. (B) En mitose, en revanche, les homologues ne s'apparient pas, et les chromatides s urs sont s par es lors de la division unique. Ainsi, chaque cellule diplo de qui se divise par mitose produit deux noyaux filles diplo des g n tiquement identiques, qui sont distribu s par cytokin se en une paire de cellules filles. Au cours de la mitose dans la plupart des organismes, les chromosomes homologues se comportent ind pendamment les uns des autres. Au cours de la m iose I, cependant, il est crucial que les homologues se reconnaissent et s'associent physiquement pour que les homologues maternels et paternels soient bi-orient s sur le premier fuseau m iotique. Des m canismes sp ciaux arbitrent ces interactions. La juxtaposition progressive des homologues se produit au cours d'une p riode prolong e appel e prophase m iotique (ou prophase I), qui peut prendre des heures chez les levures, des jours chez la souris et des semaines chez les plantes sup rieures. Comme leurs homologues mitotiques, les chromosomes de prophase m iotique dupliqu s apparaissent d'abord comme de longues structures filiformes, dans lesquelles les chromatides s urs sont si troitement coll es ensemble qu'elles appar
Biologie moléculaire de la cellule	aissent comme une seule. C'est au cours de la prophase I pr coce que les homologues commencent s'associer sur toute leur longueur dans un processus appel appariement, qui, chez certains organismes du moins, commence par des interactions entre des s quences d'ADN compl mentaires (appel es sites d'appariement) dans les deux homologues. Au fur et mesure que la prophase progresse, les homologues deviennent plus troitement juxtapos s, formant une structure quatre chromatides appel e bivalente (Figure 17-54A). Chez la plupart des esp ces, les paires d'homologues sont ensuite verrouill es ensemble par recombinaison homologue : des cassures double brin de l'ADN se forment plusieurs endroits dans chaque chromatide s ur, ce qui entra ne un grand nombre d' v nements de recombinaison d'ADN entre les homologues (comme d crit au chapitre 5). Certains de ces v nements conduisent des changes d'ADN r ciproques appel s croisements, o l'ADN d'une chromatide se croise pour devenir continu avec l'ADN d'une chromatide homologue (Figure 17-54B ; voir galement Figure 5-54). L'appariement homologue aboutit la formation d'un complexe synapton mique Les homologues appari s sont amen s en juxtaposition troite, avec leurs axes structurels (noyaux axiaux) distants d'environ 400 nm, par un m canisme qui d pend chez la plupart des esp ces des cassures d'ADN double brin qui se produisent dans les chromatides s urs. Qu'est-ce qui rassemble les axes ? Une possibilit est que la grande machine prot ines, appel e complexe de recombinaison, qui s'assemble sur une rupture double brin dans une chromatide, se lie la s quence d'ADN correspondante dans l'homologue voisin et aide enrouler ce partenaire. Ce que l'on appelle l'alignement pr synaptique des homologues est suivi d'une synapse, dans laquelle le noyau axial d'un homologue devient troitement li au noyau axial de son partenaire par un r seau serr de filaments transversaux pour cr er un complexe synapton mique, qui comble l' cart, maintenant de seulement 100 nm, entre les homologues (Figure 17-55). Bien que le crossing-over commence avant l'assemblage du complexe synapton mal, les derni res tapes se produisent pendant que l'ADN est conserv dans le complexe. Les changements morphologiques qui se produisent au cours de l'appariement homologue sont la base de la division de la prophase m iotique en cinq stades s quentiels : leptot ne, zygot ne, pachyt ne, diplot ne et diakin sie (Figure 17-56). La prophase commence avec le leptot ne, lorsque les homologues se condensent et s'apparient et la recombinaison g n tique commence. Au niveau du zygot ne, le complexe synapton mal commence s'assembler aux sites o les homologues sont troitement associ s et o des v nements de recombinaison se produisent. Chez le pachyt ne, le processus d'assemblage est termin et les homologues sont synaps s Figure 17 54 Appariement et croisement homologues. (a) La structure form e par deux homologues dupliqu s troitement align s est appel e bivalente. Comme dans la mitose, les chromatides s urs de chaque homologue sont troitement li es sur toute leur longueur, ainsi qu'au niveau de leurs centrom res. ce stade, les homologues sont g n ralement reli s par un complexe prot ique appel complexe synapton mal (non illustr ; voir Figure 17-55). (B) un bivalent un stade ult rieur dans lequel un seul croisement s'est produit entre des chromatides non s urs. Ce n'est que lorsque le complexe synapton mal se d sassemble et que les homologues appari s se s parent un peu la fin de la prophase I, comme on le montre, que le croisement est per u au microscope comme une mince connexion entre les homologues appel e chiasma. Figure 17 55 Sch ma simplifi d'un complexe synapton mal. Chaque homologue est organis autour d'un noyau axial prot ique, et les axes synapton maux sont reli s par des filaments transversaux en forme de b tonnet. Le noyau axial de chaque homologue interagit galement avec les noyaux axiaux des complexes de coh sine qui maintiennent les chromatides s urs ensemble (voir Figure 9-35). (modifi d'apr s homologues K. Nasmyth, Annu. Rev. Genet. 35:673-745, 2001.) boucles chromatiniennes de coh sine de chromatides s urs d'un homologue sur toute leur longueur (voir Figure 9 35). Le stade pachyt ne peut persister pendant des jours ou plus, jusqu' ce que la d synapse commence au diplot ne avec le d sassemblage des complexes synapton miques et la condensation et le raccourcissement concomitants des chromosomes. Ce n'est qu' ce stade, apr s les complexes ont d mont , que les v nements de croisement individuels entre chromatides non s urs peuvent tre consid r s comme des connexions inter-homologues appel es chiasmes (chiasmes singuliers), qui jouent maintenant un r le crucial dans le maintien des homologues compacts ensemble (Figure 17-57). Les homologues sont maintenant pr ts commencer le processus de s gr gation. Figure 17 56 Synapse et d synapse homologues au cours des di
Biologie moléculaire de la cellule	ff rents stades de la prophase I. (a) Un seul bivalent est repr sent sch matiquement. Leptotene, les deux chromatides s urs fusionnent et leurs boucles chromatides s' tendent partir d'un noyau axial commun. L'assemblage du complexe synapton mal commence au d but du zygot ne et est complet chez le pachyt ne. Le complexe se d sassemble dans le diplot ne. (B) une micrographie lectronique d'un complexe synapton mique d'une cellule m iotique au pachyt ne d'une fleur de lys. (C et d) Micrographies d'immunofluorescence des cellules de prophase I du champignon Sordaria. Les bivalents partiellement synaps s au zygot ne sont repr sent s en (C) et les bivalents enti rement synaps s sont repr sent s en (d). Les pointes de fl ches rouges en (C) pointent vers des r gions o la synapse est encore incompl te. (B, avec la permission de Brian Wells ; C et d, d'apr s a. storlazzi et al., Genes Dev. 17:2675 2687, 2003. Avec la permission de Cold spring Harbor Laboratory press.) Figure 17 58 Comparaison du comportement des chromosomes dans la m iose I, la m iose II et la mitose. Les chromosomes se comportent de la m me mani re dans la mitose et la m iose II, mais ils se comportent tr s diff remment dans la m iose I. (a) Dans la m iose I, les deux kin tochores s urs sont situ es c te c te sur chaque homologue et se fixent aux microtubules partir du m me p le de fuseau. Le clivage prot olytique de la coh sine le long des bras des chromatides s urs d colle les bras et r sout les croisements, permettant aux homologues dupliqu s de se s parer l'anaphase I, tandis que la coh sine r siduelle aux centrom res maintient les s urs ensemble. Le clivage de la coh sine centrom rique permet aux chromatides s urs de se s parer l'anaphase II. (B) En mitose, en revanche, les deux kin tochores s urs se fixent des microtubules partir de p les de fuseau diff rents, et les deux chromatides s urs se s parent au d but de l'anaphase et se s parent en noyaux filles s par s. localis es au niveau des kin tochores dans la m iose I, mais nous ne connaissons pas en d tail le fonctionnement de ces prot ines. Ils sont retir s des kin tochores apr s la m iose I, de sorte que dans la m iose II, les paires de chromatides s urs peuvent tre bi-orient es sur le fuseau comme elles le sont en mitose. Deuxi mement, les croisements g n rent une forte liaison physique entre les homologues, permettant leur bi-orientation l' quateur du fuseau, tout comme la coh sion entre chromatides s urs est importante pour leur bi-orientation en mitose (et en m iose II). Les croisements maintiennent les paires homologues ensemble uniquement parce que les bras des chromatides s urs sont reli s par une coh sion de chromatides s urs (voir Figure 17 58A). Troisi mement, la coh sion n'est limin e en anaphase I que des bras chromosomiques et non des r gions proches des centrom res, o se trouvent les kin tochors. La perte de coh sion du bras d clenche la s paration homologue au d but de l'anaphase I. Ce processus d pend de l'activation de l'APC/C, qui conduit la destruction de la securine, l'activation de la s paration et au clivage de la coh sine le long des bras (voir Figure 17-38). Les coh sines pr s des centrom res sont prot g es de la s paration dans la m iose I par une prot ine associ e au kin tochore appel e shugoshin (du mot japonais pour esprit gardien ). La shugoshine agit en recrutant une prot ine phosphatase qui limine les phosphates des coh sines centrom riques. La phosphorylation de la coh sine est normalement n cessaire pour que la s paration puisse cliver la coh sine ; Ainsi, l' limination de cette phosphorylation pr s du centrom re emp che le clivage de la coh sine. Les paires de chromatides s urs restent donc li es par la m iose I, ce qui permet leur bi-orientation correcte sur le fuseau dans la m iose II. Le shugoshin est inactiv apr s la m iose I. Au d but de l'anaphase II, l'activation de l'APC/C d clenche le clivage de la coh sine centrom rique et la s paration des chromatides s urs, comme elle le fait dans la mitose. Apr s l'anaphase II, des enveloppes nucl aires se forment autour des chromosomes pour produire quatre noyaux haplo des, apr s quoi la cytokin se et d'autres processus de diff renciation conduisent la production de gam tes haplo des. Le crossing-over a deux fonctions distinctes dans la m iose : il aide maintenir les homologues ensemble afin qu'ils soient correctement s par s dans les deux noyaux filles produits par la m iose I, et il contribue la diversification des gam tes qui sont finalement produits. Comme on pouvait s'y attendre, le crossing-over est donc tr s r glement : le nombre et l'emplacement des cassures double brin le long de chaque chromosome sont contr l s, tout comme la probabilit qu'une cassure soit convertie en crossover. En moyenne, le r sultat de cette r gulation est que chaque paire d'homologues humains est li e par environ deux ou trois croisements (Figure 17-59). Bien que les cassures doubl
Biologie moléculaire de la cellule	e brin qui se produisent dans la m iose I puissent tre localis es presque n'importe o le long du chromosome, elles ne sont pas distribu es uniform ment : elles se regroupent aux points chauds , o l'ADN est accessible, et ne se produisent que rarement dans les points froids , tels que les r gions h t rochromatiniennes autour des centrom res et des t lom res. Figure 17 59 Croisements entre homologues dans le testicule humain. Dans ces micrographies d'immunofluorescence, des anticorps ont t utilis s pour colorer les complexes synapton maux (rouge), les centrom res (bleu) et les sites de croisement (vert). Notez que tous les bivalents ont au moins un croisement et qu'aucun n'en a plus de quatre. (modifi d'apr s A. Lynn et al., Science 296:2222-2225, 2002. Avec l'autorisation de l'aaas.) Au moins deux types de r gulation influencent l'emplacement et le nombre de croisements qui se forment, dont aucun n'est bien compris. Les deux fonctionnent avant que le complexe synapton mal ne s'assemble. On s'assure qu'au moins un croisement se forme entre les membres de chaque paire d'homologues, comme cela est n cessaire pour la s gr gation homologue normale dans la m iose I. Dans l'autre, appel e interf rence de croisement, la pr sence d'un v nement de croisement emp che un autre de se former proximit , peut- tre en appauvrissant localement les prot ines n cessaires la conversion d'une rupture d'ADN double brin en un croisement stable. Le tri des chromosomes qui a lieu pendant la m iose est un exploit remarquable de comptabilit intracellulaire. Chez l'homme, chaque m iose n cessite que la cellule de d part garde la trace de 92 chromatides (46 chromosomes, chacun d'entre eux s'est dupliqu ), distribuant un ensemble complet de chaque type d'autosome chacune des quatre descendances haplo des. Il n'est pas surprenant que des erreurs puissent se produire dans l'attribution des chromosomes au cours de ce processus labor . Les erreurs sont particuli rement fr quentes dans la m iose f minine humaine, qui s'arr te pendant des ann es apr s le diplot ne : la m iose I n'est termin e qu' l'ovulation et la m iose II seulement apr s la f condation de l'ovule. En effet, de telles erreurs de s gr gation chromosomique au cours du d veloppement de l'ovule sont la cause la plus fr quente d'avortement spontan (fausse couche) et de retard mental chez l'homme. Lorsque les homologues ne parviennent pas se s parer correctement un ph nom ne appel non-disjonction le r sultat est que certains des gam tes haplo des r sultants n'ont pas de chromosome particulier, tandis que d'autres en ont plus d'une copie. Lors de la f condation, ces gam tes forment des embryons anormaux, dont la plupart meurent. Certains survivent, cependant. Le syndrome de Down chez l'homme, par exemple, qui est la principale cause de retard mental, est caus par une copie suppl mentaire du chromosome 21, r sultant g n ralement de la non-disjonction au cours de la m iose I dans l'ovaire f minin. Les erreurs de s gr gation pendant la m iose I augmentent consid rablement avec l' ge maternel. Les gam tes haplo des sont produits par m iose, dans laquelle un noyau diplo de subit deux divisions cellulaires successives apr s un cycle de r plication de l'ADN. La m iose est domin e par une prophase prolong e. Au d but de la prophase, les chromosomes se sont r pliqu s et se composent de deux chromatides s urs troitement li es. Les chromosomes homologues s'apparient ensuite et deviennent progressivement plus troitement juxtapos s au fur et mesure que la prophase progresse. Les homologues troitement align s subissent une recombinaison g n tique, formant des croisements qui aident maintenir chaque paire d'homologues ensemble pendant la m taphase I. Les prot ines sp cifiques de la m iose et associ es au kin tochore aident garantir que les deux chromatides s urs d'un homologue s'attachent au m me p le de fuseau ; d'autres prot ines associ es la kin tochores garantissent que les homologues restent connect s leurs centrom res pendant l'anaphase I, de sorte que les homologues plut t que les chromatides s urs sont s par s dans la m iose I. Apr s la m iose I, la m iose II suit rapidement, sans r plication de l'ADN, un processus qui ressemble la mitose, en ce sens que les chromatides s urs sont s par es l'anaphase. Un uf de souris f cond et un uf humain f cond sont de taille similaire, mais ils produisent des animaux de tailles tr s diff rentes. Quels facteurs dans le contr le du comportement cellulaire chez l'homme et la souris sont responsables de ces diff rences de taille ? La m me question fondamentale peut tre pos e pour chaque organe et tissu du corps d'un animal. Quels facteurs d terminent la longueur de la trompe d'un l phant ou la taille de son cerveau ou de son foie ? Ces questions sont en grande partie sans r ponse, mais il est n anmoins possible de dire quels doivent tre les ingr dients d'une r ponse. La taille d'un organe ou d'un
Biologie moléculaire de la cellule	organisme d pend de sa masse cellulaire totale, qui d pend la fois du nombre total de cellules et de leur taille. Le nombre de cellules, son tour, d pend des quantit s de division cellulaire et de mort cellulaire. La taille des organes et du corps est donc d termin e par trois processus fondamentaux : la croissance cellulaire, la division cellulaire et la survie cellulaire. Chacun d'entre eux est troitement r gul , la fois par des programmes intracellulaires et par des mol cules de signal extracellulaire qui contr lent ces programmes. Les mol cules de signal extracellulaire qui r gulent la croissance, la division et la survie des cellules sont g n ralement des prot ines solubles s cr t es, des prot ines li es la surface des cellules ou des composants de la matrice extracellulaire. Ils peuvent tre divis s op rationnellement en trois grandes classes : 1. Les mitog nes, qui stimulent la division cellulaire, principalement en d clenchant une vague d'activit G1/S-Cdk qui soulage les contr les n gatifs intracellulaires qui bloquent autrement la progression du cycle cellulaire. 2. Les facteurs de croissance, qui stimulent la croissance cellulaire (une augmentation de la masse cellulaire) en favorisant la synth se des prot ines et autres macromol cules et en inhibant leur d gradation. 3. Les facteurs de survie, qui favorisent la survie cellulaire en supprimant la forme de mort cellulaire programm e connue sous le nom d'apoptose. De nombreuses mol cules de signal extracellulaire favorisent tous ces processus, tandis que d'autres en favorisent un ou deux. En effet, le terme facteur de croissance est souvent utilis de mani re inappropri e pour d crire un facteur qui a l'une de ces activit s. Pire encore, le terme croissance cellulaire est souvent utilis pour d signer une augmentation du nombre de cellules ou une prolif ration cellulaire. En plus de ces trois classes de signaux stimulants, il existe des mol cules de signal extracellulaire qui suppriment la prolif ration cellulaire, la croissance cellulaire ou les deux ; En g n ral, on en sait moins leur sujet. Il existe galement des mol cules de signal extracellulaire qui activent l'apoptose. Dans cette section, nous nous concentrons principalement sur la fa on dont les mitog nes et d'autres facteurs, tels que les dommages l'ADN, contr lent le taux de division cellulaire. Nous nous penchons ensuite sur le probl me important, mais mal compris, de savoir comment une cellule en prolif ration coordonne sa croissance avec la division cellulaire afin de maintenir sa taille appropri e. Nous discutons du contr le de la survie et de la mort cellulaires par apoptose au chapitre 18. Les organismes unicellulaires ont tendance cro tre et se diviser aussi vite qu'ils le peuvent, et leur taux de prolif ration d pend en grande partie de la disponibilit des nutriments dans l'environnement. Les cellules d'un organisme multicellulaire, cependant, ne se divisent que lorsque l'organisme a besoin de plus de cellules. Ainsi, pour qu'une cellule animale prolif re, elle doit recevoir des signaux extracellulaires stimulateurs, sous forme de mitog nes, d'autres cellules, g n ralement ses voisines. Les mitog nes surmontent les m canismes de freinage intracellulaires qui bloquent la progression du cycle cellulaire. L'un des premiers mitog nes avoir t identifi tait le facteur de croissance d riv des plaquettes (PDGF), et il est typique de beaucoup d'autres d couverts depuis. Le chemin vers son isolement a commenc avec l'observation que les fibroblastes dans un Les bo tes de culture prolif rent lorsqu'elles sont fournies avec du s rum, mais pas lorsqu'elles sont fournies avec du plasma. Le plasma est pr par en retirant les cellules du sang sans permettre la coagulation ; Le s rum est pr par en laissant le sang coaguler et en prenant le liquide acellulaire qui reste. Lorsque le sang coagule, les plaquettes incorpor es dans le caillot sont stimul es pour lib rer le contenu de leurs v sicules s cr toires (Figure 17 60). La capacit sup rieure du s rum soutenir la prolif ration cellulaire sugg re que les plaquettes contiennent un ou plusieurs mitog nes. Cette hypoth se a t confirm e en montrant que des extraits de plaquettes pouvaient servir la place du s rum pour stimuler la prolif ration des fibroblastes. Le facteur crucial dans les extraits s'est av r tre une prot ine, qui a ensuite t purifi e et nomm e PDGF. Dans le corps, le PDGF lib r des caillots sanguins aide stimuler la division cellulaire pendant la cicatrisation des plaies. La PDGF n'est que l'une des plus de 50 prot ines animales connues pour agir comme des mitog nes. La plupart de ces prot ines ont une grande sp cificit . Le PDGF, par exemple, peut stimuler la division de nombreux types de cellules, notamment les fibroblastes, les cellules musculaires lisses et les cellules neurogliales. De m me, le facteur de croissance pidermique (EGF) agit non seulement sur les cellules pid
Biologie moléculaire de la cellule	ermiques, mais galement sur de nombreux autres types de cellules, y compris les cellules pith liales et non pith liales. Certains mitog nes, cependant, ont une sp cificit troite ; rythropo tine, pour Figure 17 60 Une plaquette. Les plaquettes sont des cellules miniatures sans noyau. Ils circulent dans le sang et aident stimuler la coagulation du sang aux sites de l sions tissulaires, emp chant ainsi les saignements excessifs. Ils lib rent galement divers facteurs qui stimulent la cicatrisation des plaies. La plaquette montr e ici a t coup e en deux pour montrer ses v sicules s cr toires, dont certaines contiennent du facteur de croissance d riv des plaquettes (pdgF). Par exemple, n'induit que la prolif ration des pr curseurs des globules rouges. De nombreux mitog nes, y compris le PDGF, ont galement des actions autres que la stimulation de la division cellulaire : ils peuvent stimuler la croissance, la survie, la diff renciation ou la migration cellulaires, selon les circonstances et le type de cellule. Dans certains tissus, les prot ines de signal extracellulaire inhibitrices s'opposent aux r gulateurs positifs et inhibent ainsi la croissance des organes. Les prot ines signaux inhibitrices les mieux comprises sont le facteur de croissance transformant (TGF ) et ses parents. Le TGF inhibe la prolif ration de plusieurs types de cellules, principalement en bloquant la progression du cycle cellulaire en G1. En l'absence d'un signal mitog ne pour prolif rer, l'inhibition de Cdk dans G1 est maintenue par les multiples m canismes discut s pr c demment, et la progression vers un nouveau cycle cellulaire est bloqu e. Dans certains cas, les cellules d sassemblent partiellement leur syst me de contr le du cycle cellulaire et se retirent du cycle vers un tat de non-division sp cialis appel G0. La plupart des cellules de notre corps sont en G0, mais la base mol culaire et la r versibilit de cet tat varient selon les types de cellules. La plupart de nos neurones et de nos cellules musculaires squelettiques, par exemple, sont dans un tat G0 diff renci en phase terminale, dans lequel leur syst me de contr le du cycle cellulaire est compl tement d mantel : l'expression des g nes codant pour divers Cdk et cyclines est d finitivement d sactiv e, et la division cellulaire se produit rarement. Certains types de cellules ne se retirent du cycle cellulaire que de mani re transitoire et conservent la capacit de r assembler rapidement le syst me de contr le du cycle cellulaire et de r int grer le cycle. La plupart des cellules h patiques, par exemple, sont en G0, mais elles peuvent tre stimul es pour se diviser si le foie est endommag . D'autres types de cellules, y compris les fibroblastes et certains lymphocytes, se retirent du cycle cellulaire et y reviennent plusieurs reprises tout au long de leur vie. Presque toute la variation de la dur e du cycle cellulaire dans le corps adulte se produit pendant le temps que la cellule passe en G1 ou G0. En revanche, le temps n cessaire une cellule pour progresser du d but de la phase S la mitose est g n ralement bref (g n ralement de 12 24 heures chez les mammif res) et relativement constant, quel que soit l'intervalle d'une division l'autre. Pour la grande majorit des cellules animales, les mitog nes contr lent le taux de division cellulaire en agissant dans la phase G1 du cycle cellulaire. Comme nous l'avons vu pr c demment, plusieurs m canismes agissent au cours de G1 pour supprimer l'activit de Cdk. Les mitog nes rel chent ces freins sur l'activit de Cdk, permettant ainsi l'entr e dans un nouveau cycle cellulaire. Comme nous l'expliquons au chapitre 15, les mitog nes interagissent avec les r cepteurs de surface cellulaire pour d clencher plusieurs voies de signalisation intracellulaires. Une voie majeure agit par l'interm diaire de la GTPase Ras monom re, ce qui conduit l'activation d'une cascade de prot ine kinase activ e par les mitog nes (MAP kinase) (voir Figure 15-49). On pense que Myc favorise l'entr e dans le cycle cellulaire par plusieurs m canismes, dont l'un est d'augmenter l'expression des g nes codant pour les cyclines G1 (cyclines D), augmentant ainsi l'activit de G1-Cdk (cycline D-Cdk4). Myc joue galement un r le majeur dans la stimulation de la transcription des g nes qui augmentent la croissance cellulaire. La fonction cl des complexes G1-Cdk dans les cellules animales est d'activer un groupe de facteurs de r gulation g nique appel s prot ines E2F, qui se lient des s quences d'ADN sp cifiques dans les promoteurs d'une grande vari t de g nes qui codent pour les prot ines n cessaires l'entr e en phase S, y compris les G1/S-cyclines, les S-cyclines et les prot ines impliqu es dans la synth se de l'ADN et la duplication des chromosomes. En l'absence de stimulation mitog nique, l'expression g nique d pendante d'E2F est inhib e par une interaction entre E2F et les membres de la famille des prot ines du r tinoblastome
Biologie moléculaire de la cellule	(Rb). Lorsque les cellules sont stimul es se diviser par des mitog nes, la G1-Cdk active s'accumule et phosphoryle les membres de la famille Rb, r duisant ainsi leur liaison E2F. Les prot ines E2F lib r es activent ensuite l'expression de leurs g nes cibles (Figure 17 61). Ce syst me de contr le transcriptionnel, comme tant d'autres syst mes de contr le qui r gulent le cycle cellulaire, comprend des boucles de r troaction qui assurent que l'entr e dans l'activation de la prot ine r gulatrice de la transcription CYTOSOL Figure 17 61 Stimulation mitog ne de l'entr e dans le cycle cellulaire. comme nous l'avons vu au chapitre 15, les mitog nes se lient aux r cepteurs de surface cellulaire pour initier des voies de signalisation intracellulaires. L'une des principales voies implique l'activation de la petite gTpase Ras, qui active une cascade de kinases cartographiques, conduisant une augmentation de l'expression de nombreux g nes pr coces imm diats, y compris le g ne codant pour la prot ine r gulatrice de transcription myc. myc augmente l'expression de nombreux g nes r ponse retard e, y compris certains qui conduisent une augmentation de l'activit g1-Cdk (cycline d Cdk4), ce qui d clenche la phosphorylation des membres de la famille des prot ines Rb. Cela inactive les prot ines Rb, lib rant la prot ine r gulatrice du g ne E2F pour activer la transcription des g nes g1/s, y compris les g nes d'une g1/s-cycline (cycline E) et d'une s-cycline (cycline a). Les activit s g1/s-Cdk et s-Cdk qui en r sultent am liorent encore la phosphorylation de la prot ine Rb, formant une boucle de r troaction positive. Les prot ines E2F stimulent galement la transcription de leurs propres g nes, formant une autre boucle de r troaction positive. Le cycle cellulaire est complet et irr versible. Les prot ines E2F lib r es, par exemple, augmentent la transcription de leurs propres g nes. De plus, la transcription d pendante de l'E2F des g nes G1/S-cycline (cycline E) et S-cycline (cycline A) entra ne une augmentation des activit s G1/S-Cdk et S-Cdk, ce qui augmente la phosphorylation de la prot ine Rb et favorise la lib ration d'E2F (voir Figure 17-61). Le membre central de la famille Rb, la prot ine Rb elle-m me, a t identifi l'origine par des tudes sur une forme h r ditaire de cancer de l' il chez les enfants, connue sous le nom de r tinoblastome (discut e au chapitre 20). La perte des deux copies du g ne Rb entra ne une prolif ration excessive de certaines cellules dans la r tine en d veloppement, ce qui sugg re que la prot ine Rb est particuli rement importante pour restreindre la division cellulaire dans ce tissu. La perte compl te de Rb n'entra ne pas imm diatement une prolif ration accrue de cellules r tiniennes ou d'autres types de cellules, en partie parce que Cdh1 et CKI aident galement inhiber la progression de G1 et en partie parce que d'autres types de cellules contiennent des prot ines li es Rb qui fournissent un soutien de secours en l'absence de Rb. Il est galement probable que d'autres prot ines, non li es Rb, aident r guler l'activit de E2F. Des couches suppl mentaires de contr le favorisent une augmentation crasante de l'activit S-Cdk au d but de la phase S. Nous avons mentionn pr c demment que l'activateur APC/C Cdh1 supprime les niveaux de cycline apr s la mitose. Dans les cellules animales, cependant, les cyclines G1 et G1/S sont r sistantes Cdh1-APC/C et peuvent donc agir sans opposition par l'APC/C pour favoriser la phosphorylation de la prot ine Rb et l'expression g nique d pendante de l'E2F. La S-cycline, en revanche, n'est pas r sistante et son niveau est initialement limit par l'activit Cdh1-APC/C. Cependant, G1/S-Cdk phosphoryle et inactive galement Cdh1 APC/C, permettant ainsi l'accumulation de S-cycline, promouvoir l'activation de S-Cdk. G1/S-Cdk inactive galement les prot ines CKI qui suppriment l'activit de S-Cdk. L'effet global de toutes ces interactions est l'activation rapide et compl te des complexes S-Cdk n cessaires l'initiation de la phase S. Blocage des dommages l'ADN Division cellulaire : la r ponse aux dommages l'ADN La progression dans le cycle cellulaire, et donc le taux de prolif ration cellulaire, est contr l e non seulement par les mitog nes extracellulaires, mais aussi par d'autres signaux extracellulaires et intracellulaires. L'une des influences les plus importantes est les dommages l'ADN, qui peuvent survenir la suite de r actions chimiques spontan es dans l'ADN, d'erreurs dans la r plication de l'ADN ou d'une exposition des radiations ou certains produits chimiques (voir le chapitre 5). Il est essentiel que les chromosomes endommag s soient r par s avant de tenter de les dupliquer ou de les s parer. Le syst me de contr le du cycle cellulaire peut facilement d tecter les dommages l'ADN et arr ter le cycle l'une des deux transitions suivantes : l'une au d marrage, qui emp che l'entr e dans le cycle cellulaire et dans l
Biologie moléculaire de la cellule	a phase S, et l'autre la transition G2/M, qui emp che l'entr e en mitose (voir figure 17-16). Les dommages l'ADN initient une voie de signalisation en activant l'une des deux prot ines kinases apparent es appel es ATM et ATR, qui associent au site de l'atteinte et phosphorylent diverses prot ines cibles, y compris deux autres prot ines kinases appel es Chk1 et Chk2. Ces diff rentes kinases phosphorylent d'autres prot ines cibles qui conduisent l'arr t du cycle cellulaire. Une cible majeure est la prot ine r gulatrice du g ne p53, qui stimule la transcription du g ne codant pour p21, une prot ine CKI ; p21 se lie aux complexes G1/S-Cdk et S-Cdk et inhibe leurs activit s, aidant ainsi bloquer l'entr e dans le cycle cellulaire (Figure 17-62 et Vid o 17.8). Les dommages l'ADN activent p53 par un m canisme indirect. Dans les cellules non endommag es, p53 est tr s instable et est pr sent de tr s faibles concentrations. C'est en grande partie parce qu'il interagit avec une autre prot ine, Mdm2, qui agit comme une ubiquitine ligase qui cible p53 pour la destruction par les prot asomes. La phosphorylation de p53 apr s une l sion de l'ADN r duit sa liaison Mdm2. Cela diminue la d gradation de p53, ce qui entra ne une augmentation marqu e de la concentration de p53 dans la cellule. De plus, la diminution de la liaison Mdm2 am liore la capacit de p53 stimuler la transcription des g nes (voir Figure 17 62). Les prot ines kinases Chk1 et Chk2 bloquent galement la progression du cycle cellulaire en phosphorylant les membres de la famille des prot ines phosphatases Cdc25, inhibant ainsi leur fonction. Comme d crit pr c demment, ces phosphatases sont particuli rement importantes dans l'activation de M-Cdk au d but de la mitose (voir Figure 17 20). Chk1 et Chk2 phosphorylent Cdc25 sur des sites inhibiteurs distincts des sites de phosphorylation qui stimulent l'activit de Cdc25. L'inhibition de l'activit de Cdc25 par les dommages l'ADN aide bloquer l'entr e en mitose (voir Figure 17 16). La r ponse aux dommages de l'ADN peut galement tre activ e par des probl mes qui surviennent lorsqu'une fourche de r plication choue pendant la r plication de l'ADN. Lorsque les nucl otides sont puis s, par exemple, les fourches de r plication se bloquent pendant la phase d' longation de la synth se de l'ADN. Pour emp cher la cellule de tenter de s gr guer les chromosomes partiellement r pliqu s, les m mes m canismes qui r agissent aux dommages l'ADN d tectent les fourches de r plication bloqu es et bloquent l'entr e en mitose jusqu' ce que les probl mes soient r solus. Un faible niveau de dommages l'ADN se produit dans la vie normale de n'importe quelle cellule, et ces dommages s'accumulent dans la descendance de la cellule si la r ponse aux dommages l'ADN ne fonctionne pas. long terme, l'accumulation de dommages g n tiques dans les cellules d pourvues de r ponse aux dommages de l'ADN entra ne une augmentation de la fr quence des mutations favorisant le cancer. En effet, des mutations dans le g ne p53 se produisent dans au moins la moiti de tous les cancers humains (voir le chapitre 20). Cette perte de fonction de p53 permet la cellule canc reuse d' tre stable et active Figure 17 62 Comment les dommages l'ADN arr tent le cycle cellulaire dans G1. Lorsque l'ADN est endommag , diverses prot ines kinases sont recrut es sur le site des dommages et initient une voie de signalisation qui provoque l'arr t du cycle cellulaire. La premi re kinase sur le site de l'atteinte est soit l'aTm, soit l'aTR, selon le type de dommage. des prot ines kinases suppl mentaires, appel es Chk1 et Chk2, sont ensuite recrut es et activ es, entra nant la phosphorylation de la prot ine r gulatrice de transcription P53. MDM2 se lie normalement p53 et favorise son ubiquitylation et sa destruction dans les prot asomes. La phosphorylation de P53 bloque sa liaison MDM2 ; en cons quence, p53 s'accumule des niveaux lev s et stimule la transcription de nombreux g nes, y compris le g ne qui code pour la prot ine CkI p21. Le p21 se lie et inactive les complexes g1/s-Cdk et s-Cdk, arr tant la cellule en g1. Dans certains cas, les dommages l'ADN induisent galement soit la phosphorylation de mdm2, soit une diminution de la production de mdm2, ce qui provoque une augmentation suppl mentaire de p53 (non illustr ). pour accumuler plus facilement les mutations. De m me, une maladie g n tique rare connue sous le nom d'ataxie t langiectasie est caus e par un d faut de l'ATM, l'une des prot ines kinases activ es en r ponse aux dommages l'ADN induits par les rayons X ; Les patients atteints de cette maladie sont tr s sensibles aux rayons X et souffrent de taux accrus de cancer. Que se passe-t-il si les dommages l'ADN sont si graves qu'il n'est pas possible de les r parer ? La r ponse diff re selon les organismes. Les organismes unicellulaires tels que les levures bourgeonnantes arr tent leur cycle cellulaire pour essayer de r
Biologie moléculaire de la cellule	parer les dommages, mais le cycle reprend m me si la r paration ne peut pas tre termin e. Pour un organisme unicellulaire, une vie avec des mutations est apparemment meilleure que pas de vie du tout. Dans les organismes multicellulaires, cependant, la sant de l'organisme prime sur la vie d'une cellule individuelle. Les cellules qui se divisent avec de graves dommages l'ADN menacent la vie de l'organisme, car les dommages g n tiques peuvent souvent conduire au cancer et d'autres maladies. Ainsi, les cellules animales pr sentant de graves dommages l'ADN ne tentent pas de poursuivre la division, mais se suicident en subissant l'apoptose. Ainsi, moins que les dommages l'ADN ne soient r par s, la r ponse aux dommages l'ADN peut conduire l'arr t du cycle cellulaire ou la mort cellulaire. L'apoptose induite par les dommages l'ADN d pend souvent de l'activation de p53. En effet, c'est cette fonction favorisant l'apoptose de p53 qui est apparemment la plus importante pour nous prot ger contre le cancer. de nombreuses cellules humaines ont une limitation int gr e du nombre de fois qu'elles peuvent se diviser De nombreuses cellules humaines se divisent un nombre limit de fois avant de s'arr ter et de subir un arr t permanent du cycle cellulaire. Les fibroblastes pr lev s sur des tissus humains normaux, par exemple, ne subissent qu'environ 25 50 doublements de population lorsqu'ils sont cultiv s dans un milieu mitog ne standard. Vers la fin de cette p riode, la prolif ration ralentit et finit par s'arr ter, et les cellules entrent dans un tat de non-division dont elles ne se remettent jamais. Ce ph nom ne est appel s nescence cellulaire r plicative. La s nescence cellulaire r plicative dans les fibroblastes humains semble tre caus e par des modifications de la structure des t lom res, des s quences d'ADN r p titives et des prot ines associ es aux extr mit s des chromosomes. Comme nous l'avons vu au chapitre 5, lorsqu'une cellule se divise, les s quences d'ADN t lom rique ne sont pas r pliqu es de la m me mani re que le reste du g nome, mais sont synth tis es par l'enzyme t lom rase. La t lom rase favorise galement la formation de structures de coiffe prot ique qui prot gent les extr mit s des chromosomes. Parce que les fibroblastes humains, et de nombreuses autres cellules somatiques humaines, ne produisent pas de t lom rase, leurs t lom res deviennent plus courts chaque division cellulaire et leurs coiffes prot iques protectrices se d t riorent progressivement. Finalement, les extr mit s chromosomiques expos es sont d tect es comme des dommages l'ADN, ce qui active un arr t du cycle cellulaire d pendant de p53 (voir Figure 17-62). Les cellules de rongeurs, en revanche, maintiennent l'activit de la t lom rase lorsqu'elles prolif rent en culture et n'ont donc pas un tel m canisme d pendant des t lom res pour limiter la prolif ration. L'expression forc e de la t lom rase dans les fibroblastes humains normaux, l'aide de techniques de g nie g n tique, bloque cette forme de s nescence. Malheureusement, la plupart des cellules canc reuses ont retrouv la capacit de produire de la t lom rase et donc de maintenir la fonction des t lom res mesure qu'elles prolif rent ; En cons quence, ils ne subissent pas de s nescence cellulaire r plicative. Des signaux de prolif ration anormaux provoquent l'arr t du cycle cellulaire ou l'apoptose, sauf dans les cellules canc reuses De nombreux composants des voies de signalisation mitog niques sont cod s par des g nes qui ont t identifi s l'origine comme des g nes favorisant le cancer, car leurs mutations contribuent au d veloppement du cancer. La mutation d'un seul acide amin dans la petite GTPase Ras, par exemple, provoque une hyperactivit permanente de la prot ine, conduisant une stimulation constante des voies de signalisation d pendantes de Ras. m me en l'absence de stimulation mitog ne. De m me, les mutations qui provoquent une surexpression de Myc stimulent la croissance et la prolif ration cellulaires excessives et favorisent ainsi le d veloppement du cancer (discut au chapitre 20). tonnamment, cependant, lorsqu'une forme hyperactiv e de Ras ou de Myc est surproduite exp rimentalement dans la plupart des cellules normales, le r sultat n'est pas une prolif ration excessive, mais le contraire : les cellules subissent soit un arr t permanent du cycle cellulaire, soit une apoptose. La cellule normale semble capable de d tecter une stimulation mitog ne anormale, et elle r pond en emp chant une division ult rieure. De telles r ponses aident pr venir la survie et la prolif ration des cellules pr sentant diverses mutations favorisant le cancer. Bien que l'on ne sache pas comment une cellule d tecte une stimulation mitog ne excessive, une telle stimulation conduit souvent la production d'une prot ine inhibitrice du cycle cellulaire appel e Arf, qui se lie et inhibe Mdm2. Comme nous l'avons vu pr c demment, Mdm2 favorise normalement la
Biologie moléculaire de la cellule	d gradation de p53. L'activation d'Arf entra ne donc une augmentation des niveaux de p53, induisant soit l'arr t du cycle cellulaire, soit l'apoptose (Figure 17 63). Comment les cellules canc reuses apparaissent-elles si ces m canismes bloquent la division ou la survie des cellules mutantes avec des signaux de prolif ration hyperactifs ? La r ponse est que le syst me protecteur est souvent inactiv dans les cellules canc reuses par des mutations dans les g nes qui codent pour des composants essentiels des m canismes de blocage, tels que Arf ou p53 ou les prot ines qui aident les activer. La prolif ration cellulaire s'accompagne d'une croissance cellulaire Si les cellules prolif raient sans se d velopper, elles deviendraient progressivement plus petites et il n'y aurait pas d'augmentation nette de la masse cellulaire totale. Dans la plupart des populations cellulaires prolif rantes, la croissance cellulaire accompagne donc la division cellulaire. Chez les organismes unicellulaires stables, actifs et p53 tels que les levures, la croissance cellulaire et la division cellulaire n'ont besoin que de nutriments. Chez les animaux, en revanche, la croissance cellulaire et la prolif ration cellulaire d pendent toutes deux de mol cules de signal extracellulaires, produites par d'autres cellules, que nous appelons respectivement facteurs de croissance et mitog nes. Comme les mitog nes, les facteurs de croissance extracellulaires qui stimulent la croissance des cellules animales se lient aux r cepteurs la surface cellulaire et activent les voies de signalisation intracellulaires. Ces voies stimulent l'accumulation de prot ines et d'autres macromol cules, et elles le font la fois en augmentant leur taux de synth se et en diminuant leur taux de d gradation. Ils d clenchent galement une absorption accrue des nutriments et la production de l'ATP n cessaire pour alimenter la synth se accrue des prot ines. L'une des voies de signalisation intracellulaire les plus importantes activ es par les r cepteurs du facteur de croissance implique l'enzyme phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase), qui ajoute un phosphate de l'ATP la position 3 des phospholipides d'inositol dans la membrane plasmique (discut au chapitre 15). L'activation de la PI 3-kinase conduit l'activation d'une kinase appel e TOR, qui se trouve au c ur des voies de r gulation de la croissance cellulaire chez tous les eucaryotes. TOR active de nombreuses cibles dans la cellule qui stimulent les processus m taboliques, y compris la synth se des prot ines. L'une des cibles est une prot ine kinase appel e S6 kinase (S6K), qui phosphoryle la prot ine ribosomique S6, augmentant ainsi la capacit des ribosomes traduire un sous-ensemble d'ARNm qui codent principalement pour les composants ribosomiques. TOR active galement indirectement un facteur d'initiation de la traduction appel eIF4E et active directement les r gulateurs de transcription qui favorisent l'expression accrue des g nes codant pour les sous-unit s ribosomiques (Figure 17 64). PI(3,4,5)P3 Facteur de croissance PI(4,5)P2 Acides amin s activ s r cepteur du facteur de croissance PI 3-kinase TOR S6K 4E-BP S6 eIF4E prot ines r gulatrices P P P Figure 17 63 Arr t du cycle cellulaire ou apoptose induit par une stimulation excessive des voies mitog nes. Des taux anormalement lev s de Myc provoquent l'activation de l'ARF, qui se lie et inhibe MDM2 et augmente ainsi les niveaux de p53 (voir Figure 17 62). Selon le type de cellule et les conditions extracellulaires, P53 provoque alors soit l'arr t du cycle cellulaire, soit l'apoptose. Figure 17 64 Stimulation de la croissance cellulaire par des facteurs de croissance extracellulaires et des nutriments. L'occupation des r cepteurs de surface cellulaire par les facteurs de croissance conduit l'activation de la pI 3-kinase, qui favorise la synth se des prot ines par une voie de signalisation complexe qui conduit l'activation de la prot ine kinase TOR ; Les nutriments extracellulaires tels que les acides amin s aident galement activer le TOR. TOR phosphoryle plusieurs prot ines pour stimuler la synth se des prot ines, comme on le voit ; Il inhibe galement la d gradation des prot ines (non illustr ). Les facteurs de croissance stimulent galement la production accrue de la prot ine r gulatrice de la transcription Myc (non illustr e), qui active la transcription de divers g nes qui favorisent le m tabolisme et la croissance cellulaires. 4E-Bp est un inhibiteur du facteur d'initiation de la traduction eIF4E. pI(4,5)p2, phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate ; pI(3,4,5)p3, phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate. Figure 17 65 M canismes potentiels de coordination de la croissance et de la division cellulaires. Dans les cellules en prolif ration, la taille des cellules est maintenue par des m canismes qui coordonnent les taux de division cellulaire et de croissance cellulaire. On pense qu'il existe de nombreux m canismes de couplage alternatifs, e
Biologie moléculaire de la cellule	t diff rents types de cellules semblent utiliser diff rentes combinaisons de ces m canismes. (a) Dans de nombreux types de cellules, en particulier chez la levure le taux de division cellulaire est r gi par le taux de croissance cellulaire, de sorte que cette division ne se produit que lorsque le taux de croissance atteint un certain seuil minimal ; Chez les levures, ce sont principalement les niveaux de nutriments extracellulaires qui r gulent le taux de croissance cellulaire et donc le taux de division cellulaire. (B) Dans certains types de cellules animales, la croissance et la division peuvent chacune tre contr l es par des facteurs extracellulaires distincts (facteurs de croissance et mitog nes, respectivement), et la taille des cellules d pend des niveaux relatifs des deux types de facteurs. (C) certains facteurs extracellulaires peuvent stimuler la fois la croissance cellulaire et la division cellulaire en activant simultan ment des voies de signalisation qui favorisent la croissance et d'autres voies qui favorisent la progression du cycle cellulaire. Pour que les cellules prolif rantes maintiennent une taille constante, elles doivent coordonner leur progression travers le cycle cellulaire avec la division cellulaire pour s'assurer que la taille des cellules double chaque division : si les cellules d pendent de la phosphorylation se d veloppent trop lentement, elles deviendront plus petites chaque division, et si elles grandissent trop vite, de centaines de prot ines diff rentes en elles deviendront plus grandes chaque division. On ne sait pas exactement comment les cellules atteignent ces complexes coordi cycline-Cdk. Qu'est-ce que la nation, mais il est probable qu'elle implique de multiples m canismes qui varient dans diff rents organismes et m me dans diff rents types de cellules d'un m me organisme (Figure 17-65). ces prot ines sont phosphoryl es lors de la croissance et de la division des cellules animales et la division n'est cependant pas toujours coordonn e. Dans beaucoup d'entre eux, au bon moment et au bon endroit ? cas, ils sont compl tement d coupl s pour permettre une croissance sans division ou une division sans croissance. Les cellules musculaires et les cellules nerveuses, par exemple, peuvent cro tre de fa on spectaculaire pendant la phase s, comment sont les histones apr s qu'elles se sont retir es d finitivement du cycle cellulaire. De m me, les ufs et leurs enzymes modificatrices atteignent une taille extr mement grande sans se diviser ; Apr s la f condation, contr l e pour r pliquer la chromatine cependant, cette relation est invers e, et de nombreux cycles de division se produisent sans structure sur l'ADN dupliqu ? croissance. Par rapport la division cellulaire, il y a eu tonnamment peu d' tudes sur la fa on dont les cellules Quelle est la base structurelle de la taille est contr l e chez les animaux. En cons quence, la fa on dont la taille des cellules est la condensation des chromosomes d terminera et comment le processus est-il stimul pendant l'extraction et pourquoi les diff rents types de cellules d'un m me animal deviennent si diff rents en mitose ? taille. L'un des cas les mieux compris chez les mammif res est le neurone sympathique adulte, qui s'est d finitivement retir du cycle cellulaire. Sa taille d pend de la Quels sont les m canismes par lesquels la quantit de facteur de croissance nerveuse (NGF) s cr t e par les cellules cibles qu'il innerve ; plus la quantit de NGF laquelle le neurone a acc s est importante, plus elle devient grande. Il semble tre d tect au niveau du kin tochore par la probabilit que les g nes qu'une cellule exprime fixent des limites la taille qu'elle peut tre, tandis que les composants extracel de l'assemblage du fuseau des mol cules de signal lulaire et des nutriments r gulent la taille dans ces limites. Le checkpoint chal ? L'objectif est d'identifier les g nes et les mol cules de signal pertinents pour chaque type de cellule. Comment la croissance cellulaire est-elle coordonn e avec la division cellulaire pour s'assurer que la taille des cellules reste constante ? Chez les animaux multicellulaires, la taille des cellules, la division cellulaire et la survie cellulaire sont soigneusement contr l es pour s'assurer que l'organisme et ses organes atteignent et maintiennent une taille appropri e. Les mitog nes stimulent le taux de division cellulaire en supprimant les freins mol culaires intracellulaires qui limitent la progression du cycle cellulaire dans G1. Les facteurs de croissance favorisent la croissance cellulaire (augmentation de la masse cellulaire) en stimulant la synth se et en inhibant la d gradation des macromol cules. Pour maintenir une taille cellulaire constante, les cellules prolif rantes utilisent plusieurs m canismes pour s'assurer que la croissance cellulaire est coordonn e avec la division cellulaire. nombre de cellulesQuelles d clarations sont vraies ? Expliquez pourquoi ou pou
Biologie moléculaire de la cellule	rquoi pas. Comme il y a environ 1013 cellules chez un humain adulte, et qu'environ 1010 cellules meurent et sont remplac es chaque jour, nous devenons de nouvelles personnes tous les trois ans. Pour que les cellules en prolif ration conservent une taille relativement constante, la dur e du cycle cellulaire doit correspondre au temps qu'il faut pour que la cellule double de taille. Alors que d'autres prot ines vont et viennent au cours du cycle cellulaire, les prot ines du complexe de reconnaissance de l'origine restent li es l'ADN tout au long du cycle. Les chromosomes 17 4 sont positionn s sur la plaque de m taphase par des forces gales et oppos es qui les tirent vers les deux p les du fuseau. 17 5 La m iose s pare les homologues paternels en spermatozo des et les homologues maternels en ovules. 17 6 Si nous pouvions activer l'activit de la t lom rase dans toutes nos cellules, nous pourrions pr venir le vieillissement. Discutez des probl mes suivants. 17 7 De nombreux g nes du cycle cellulaire des cellules humaines fonctionnent parfaitement bien lorsqu'ils sont exprim s dans des cellules de levure. Pourquoi pensez-vous que cela soit consid r comme remarquable ? Apr s tout, de nombreux g nes humains codant pour des enzymes pour les r actions m taboliques fonctionnent galement chez la levure, et personne ne pense que c'est remarquable. 17 8 Hoechst 33342 est un colorant perm able la membrane qui devient fluorescent lorsqu'il se lie l'ADN. Lorsqu'une population de cellules est incub e bri vement avec un colorant Hoechst, puis tri e dans un cytom tre en flux, qui mesure la fluorescence de chaque cellule, les cellules pr sentent diff rents niveaux de fluorescence, comme le montre la figure Q17 1. Un. Quelles cellules de la figure Q17 1 se trouvent dans les phases G1, S, G2 et M du cycle cellulaire ? Expliquez le fondement de votre r ponse. b. Esquissez les distributions de tri auxquelles vous vous attendriez pour les cellules qui ont t trait es avec des inhibiteurs qui bloquent le cycle cellulaire dans la phase G1, S ou M. Expliquez votre raisonnement. Figure Q17 1 : analyse de la fluorescence de Hoechst 33342 dans une population de cellules tri es dans un cytom tre en flux (probl me 17 8). 17 9 La sous-unit de coh sine de levure Scc1, qui est essentielle la coh sion des chromatides s urs, peut tre r gul e artificiellement pour l'expression n'importe quel moment du cycle cellulaire. Si l'expression est activ e au d but de la phase S, toutes les cellules se divisent de mani re satisfaisante et survivent. En revanche, si l'expression Scc1 n'est activ e qu'apr s S La phase est termin e, les cellules ne se divisent pas et meurent, m me si Scc1 s'accumule dans le noyau et interagit efficacement avec les chromosomes. Pourquoi pensez-vous que la coh sine doit tre pr sente pendant la phase S pour que les cellules se divisent normalement ? 17 10 De fortes doses de caf ine interf rent avec la r ponse aux dommages l'ADN dans les cellules de mammif res. Pourquoi alors pensez-vous que le Surgeon General n'a pas encore mis un avertissement appropri aux gros buveurs de caf et de cola ? Une tasse de caf typique (150 ml) contient 100 mg de caf ine (196 g/mole). Combien de tasses de caf faudrait-il boire pour atteindre la dose (10 mM) n cessaire pour interf rer avec la r ponse aux dommages l'ADN ? (Un adulte typique contient environ 40 litres d'eau.) 17 11 Combien de kin tochores y a-t-il dans une cellule humaine au moment de la mitose ? 17 12 Une cellule vivante de l' pith lium pulmonaire d'un triton est repr sent e diff rents stades de la phase M sur la figure Q17 2. Commandez ces micrographies optiques dans le bon ordre et identifiez l' tape de la phase M que chacune repr sente. Figure Q17 2 Micrographies optiques d'une seule cellule diff rents stades de la phase m (probl me 17 12). (Avec l'aimable autorisation de Conly L. Rieder.) Le syndrome de Down (trisomie 21) et le syndrome d'Edwards (trisomie 18) sont les trisomies autosomiques les plus courantes chez les nourrissons humains. Cela signifie-t-il que ces chromosomes sont les plus difficiles s parer correctement pendant la m iose ? 17 14 Le g nome humain se compose de 23 paires de chromosomes (22 paires d'autosomes et une paire de chromosomes sexuels). Au cours de la m iose, les ensembles d'homologues maternels et paternels s'apparient, puis sont s par s en gam tes, de sorte que chacun contient 23 chromosomes. Si vous supposez que les chromosomes des homologues appari s sont assortis au hasard aux cellules filles, combien de combinaisons potentielles d'homologues paternels et maternels peuvent tre g n r es pendant la m iose ? (Aux fins de ce calcul, supposons qu'il n'y a pas de recombinaison.) Vue d'ensemble du cycle cellulaire morgan dO (2007) Le cycle cellulaire : principes de contr le. Londres : nouvelle presse scientifique. murray aW & Hunt T (1993) Le cycle cellulaire : une introduction. New York : WH Freeman et Ci
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Biologie moléculaire de la cellule	travers la membrane cellulaire. Une forme de n crose, appel e n croptose, est une forme de mort cellulaire programm e qui est d clench e par un signal r gulateur sp cifique provenant d'autres cellules, bien que nous commencions peine comprendre les m canismes sous-jacents. Une certaine forme de mort cellulaire programm e se produit dans de nombreux organismes, mais l'apoptose se trouve principalement chez les animaux. Ce chapitre se concentre sur les principales fonctions de l'apoptose, son m canisme et sa r gulation, et sur la fa on dont une apoptose excessive ou insuffisante peut contribuer la maladie humaine. La quantit de mort cellulaire apoptotique qui se produit dans les tissus animaux en d veloppement et adultes est tonnante. Dans le syst me nerveux des vert br s en d veloppement, par exemple, plus de la moiti de nombreux types de cellules nerveuses meurent normalement peu de temps apr s leur formation. Il semble remarquablement inutile pour tant de cellules de mourir, d'autant plus que la grande majorit d'entre elles sont en parfaite sant au moment o elles se tuent. quoi sert cette mort cellulaire massive ? Dans certains cas, la r ponse est claire. La mort cellulaire aide sculpter les mains et les pieds au cours du d veloppement embryonnaire : ils commencent comme des structures en forme de b che, et les doigts individuels ne se s parent que lorsque les cellules entre eux meurent, comme illustr pour une patte de souris dans la figure 18-2. Dans d'autres cas, les cellules meurent lorsque la structure qu'elles forment n'est plus n cessaire. Lorsqu'un t tard se transforme en grenouille lors de la m tamorphose, les cellules de la queue meurent et la queue, qui n'est pas n cessaire chez la grenouille, dispara t. L'apoptose fonctionne galement comme un processus de contr le de la qualit dans le d veloppement, liminant les cellules anormales, mal plac es, non fonctionnelles ou potentiellement dangereuses pour l'animal. Des exemples frappants se produisent dans le syst me immunitaire adaptatif des vert br s, o l'apoptose limine les lymphocytes T et B en d veloppement qui ne parviennent pas produire des r cepteurs sp cifiques de l'antig ne potentiellement utiles ou produisent des r cepteurs auto-r actifs qui rendent les cellules potentiellement dangereuses (discut au chapitre 24) ; Il limine galement la plupart des lymphocytes activ s par une infection, apr s qu'ils aient contribu d truire les microbes responsables. Dans les tissus adultes qui ne sont ni en croissance ni en r tr cissement, la mort cellulaire et la division cellulaire doivent tre troitement r gul es pour s'assurer qu'elles sont exactement en quilibre. Si une partie du foie est retir e chez un rat adulte, par exemple, la prolif ration des cellules h patiques augmente pour compenser la perte. l'inverse, si un rat est trait avec le m dicament ph nobarbital qui stimule la division cellulaire du foie (et donc l' largissement du foie) et que le traitement au ph nobarbital est arr t , l'apoptose dans le foie augmente consid rablement jusqu' ce que le foie retrouve sa taille d'origine, g n ralement en une semaine environ. Ainsi, le foie est maintenu une taille constante gr ce la r gulation du taux de mort cellulaire et du taux de naissance cellulaire. Les m canismes de contr le l'origine d'une telle r gulation sont largement inconnus. Les cellules animales peuvent reconna tre les dommages dans leurs diff rents organites et, si les dommages sont suffisamment importants, elles peuvent se tuer en subissant l'apoptose. Un exemple important est les dommages l'ADN, qui peuvent produire des mutations favorisant le cancer s'ils ne sont pas r par s. Les cellules ont diff rentes fa ons de d tecter les dommages l'ADN et subissent l'apoptose si elles ne peuvent pas les r parer. L'apoptose est d clench e par les membres d'une famille de prot ases intracellulaires sp cialis es, qui clivent des s quences sp cifiques dans de nombreuses prot ines l'int rieur de la cellule, provoquant ainsi les changements spectaculaires qui conduisent la mort et l'engloutissement cellulaires. Ces prot ases ont une cyst ine leur site actif et clivent leurs prot ines cibles au niveau d'acides aspartiques sp cifiques ; On les appelle donc caspases (C pour cyst ine et ASP pour acide aspartique). Les caspases sont synth tis es dans la cellule en tant que pr curseurs inactifs et ne sont activ es que pendant l'apoptose. Il existe deux grandes classes de caspases apoptotiques : les caspases initiatrices et les caspases bourreaux. Figure 18 1 Deux formes distinctes de mort cellulaire. ces micrographies lectroniques montrent des cellules qui sont mortes par apoptose (A et B) ou par n crose (C). les cellules de (A) et (C) sont mortes dans une bo te de culture, tandis que la cellule de (B) est morte dans un tissu en d veloppement et a t engloutie par une cellule phagocytaire. Notez que les cellules de (A) et (B) se sont con
Biologie moléculaire de la cellule	dens es mais semblent relativement intactes, tandis que la cellule de (C) semble avoir explos . les grandes vacuoles visibles dans le cytoplasme de la cellule en (A) sont une caract ristique variable de l'apoptose. (Avec l'aimable autorisation de Julia Burne.) Figure 18 2 Sculpture des doigts de la patte de souris en d veloppement par apoptose. La patte de ce f tus de souris a t color e avec un colorant qui marque sp cifiquement les cellules qui ont subi l'apoptose. Les cellules apoptotiques apparaissent sous la forme de points vert vif entre les doigts en d veloppement. La mort cellulaire interdigitale a limin le tissu entre les doigts en d veloppement, comme on le voit un jour plus tard, lorsqu'il y a tr s peu de cellules apoptotiques. (D'apr s W. Wood et al., Development 127:5245-5252, 2000. Avec l'autorisation de la Compagnie des biologistes.) Caspase initiatrice (caspases 8,9) DIM RISATION, ACTIVATION ET CLIVAGE bourreau de caspase (caspases 3,6,7) CLIVAGE DE PLUSIEURS SUBSTRATS Les caspases initiatrices, comme leur nom l'indique, commencent le processus apoptotique. Ils existent normalement sous forme de monom res inactifs et solubles dans le cytosol. Un signal apoptotique d clenche l'assemblage de grandes plateformes prot iques qui rassemblent plusieurs caspases initiatrices en grands complexes. Au sein de ces complexes, des paires de caspases s'associent pour former des dim res, ce qui entra ne l'activation de la prot ase (Figure 18 3). Chaque caspase dans le dim re clive ensuite son partenaire un endroit sp cifique dans le domaine de la prot ase, ce qui stabilise le complexe actif et est n cessaire au bon fonctionnement de l'enzyme dans la cellule. La fonction principale des caspases initiatrices est d'activer les caspases bourreau. Ceux-ci existent normalement sous forme de dim res inactifs. Lorsqu'ils sont cliv s par une caspase initiatrice un site du domaine de la prot ase, le site actif est r arrang d'une conformation inactive une conformation active. Un complexe de caspases initiateurs peut activer de nombreuses caspases de bourreau, ce qui entra ne une cascade prot olytique amplificatrice. Une fois activ es, les caspases bourreaux catalysent les v nements de clivage prot ique g n ralis s qui tuent la cellule. Diverses approches exp rimentales ont permis d'identifier plus d'un millier de prot ines qui sont cliv es par les caspases lors de l'apoptose. Seules quelques-unes de ces prot ines ont t tudi es en d tail. Il s'agit notamment des lamines nucl aires, dont le clivage provoque la d gradation irr versible de la lame nucl aire (voir le chapitre 12). Une autre cible est une prot ine qui contient normalement une endonucl ase d gradant l'ADN sous une forme inactive ; son clivage lib re l'endonucl ase pour couper l'ADN dans le noyau cellulaire (Figure 18 4). D'autres prot ines cibles comprennent des composants du cytosquelette et des prot ines d'adh sion cellule-cellule qui attachent les cellules leurs voisines ; Le clivage de ces prot ines aide la cellule apoptotique s'arrondir et se d tacher de ses voisines, ce qui facilite l'absorption d'une cellule voisine ou, dans le cas d'une cellule pith liale, l'extrudation de la cellule apoptotique partir de la feuille cellulaire. La cascade de caspase est non seulement destructrice et auto-amplifiante, mais aussi irr versible, de sorte qu'une fois qu'une cellule commence sur le chemin de la destruction, elle ne peut pas revenir en arri re. Comment la caspase initiatrice est-elle activ e pour la premi re fois en r ponse un signal apoptotique ? Les deux m canismes d'activation les mieux compris dans les cellules de mammif res sont appel s la voie extrins que et la voie intrins que, ou mitochondriale. Chacun utilise son propre syst me d'initiateur, de caspase et d'activation, comme nous le voyons maintenant. Figure 18 3 Activation de la caspase pendant l'apoptose. Une caspase initiatrice contient un domaine prot ase dans sa r gion carboxy-terminale et un petit domaine d'interaction prot ique pr s de son extr mit amin e. Il est initialement fabriqu sous une forme monom re inactive, parfois appel e procaspase. Les signaux apoptotiques d clenchent l'assemblage de prot ines adaptatrices portant plusieurs sites de liaison pour le domaine amino-terminal de la caspase. En se liant aux prot ines adaptatrices, les caspases initiatrices se dim risent et sont ainsi activ es, conduisant au clivage d'un site sp cifique dans leurs domaines prot ases. Chaque domaine de la prot ase est ensuite r arrang en une grande et une petite sous-unit . Dans certains cas (non illustr s), le domaine de liaison de l'adaptateur de la caspase initiatrice est galement cliv (voir Figure 18 5). Les caspases du bourreau se forment initialement comme des dim res inactifs. Lors du clivage sur un site du domaine de la prot ase par une caspase initiatrice, le dim re de caspase bourreau subit un changement conformationnel activateur. Les caspases du bourrea
Biologie moléculaire de la cellule	u clivent ensuite une vari t de prot ines cl s, conduisant la mort contr l e de la cellule. Figure 18 4 Fragmentation de l'ADN pendant l'apoptose. (A) Dans les cellules saines, l'endonucl ase CAD s'associe son inhibiteur, l'iCAD. L'activation des caspases bourreaux dans la cellule conduit au clivage de l'iCAD, qui lib re la nucl ase. La CAD activ e coupe l'ADN chromosomique entre les nucl osomes, ce qui entra ne la production de fragments d'ADN qui forment un motif en chelle (voir B) lors de l' lectrophor se sur gel. (B) Les lymphocytes du thymus de souris ont t trait s avec un anticorps contre le r cepteur de mort la surface cellulaire Fas (discut dans le texte), induisant les cellules subir l'apoptose. L'ADN a t extrait aux moments indiqu s au-dessus de la figure, et les fragments ont t s par s par taille par lectrophor se dans un gel d'agarose et color s au bromure d' thidium. Parce que les clivages se produisent dans les r gions de liaison entre les nucl osomes, les fragments se s parent en un motif en chelle caract ristique sur ces gels. Notez que dans l' lectrophor se sur gel, les mol cules plus petites sont plus largement s par es dans la partie inf rieure du gel, de sorte que l' limination d'un seul nucl osome a un effet apparent plus important sur la mobilit du gel. (C) Les noyaux apoptotiques peuvent tre d tect s l'aide d'une technique qui ajoute un marqueur fluorescent aux extr mit s de l'ADN. Dans l'image montr e ici, cette technique a t utilis e dans une section de tissu d'un bourgeon de patte de poussin en d veloppement ; Cette coupe transversale travers la peau et le tissu sous-jacent provient d'une r gion situ e entre deux doigts en d veloppement, comme indiqu dans le dessin sous-jacent. la proc dure est appel e technique tUNEL (tdt-mediated dUtpnick end marking) car l'enzyme terminale d soxynucl otidyltransf rase (tdt) ajoute des cha nes de d soxynucl otide marqu (dUtp) aux extr mit s 3'-Oh des fragments d'ADN. la pr sence d'un grand nombre de fragments d'ADN se traduit donc par des points fluorescents brillants dans les cellules apoptotiques. (B, d'apr s D. McIlroy et al., Genes Dev. 14:549-558, 2000. Avec l'autorisation de Cold Spring Harbor Laboratory press ; C, d'apr s V. Zuzarte-Lu s et J.M. hurl , Int. J. Dev. Biol. 46:871 876, 2002. Avec la permission de la presse de l'UBC.) Les r cepteurs de mort la surface cellulaire activent la voie extrins que de l'apoptose Les prot ines de signal extracellulaire qui se lient aux r cepteurs de mort la surface des cellules d clenchent la voie extrins que de l'apoptose. Les r cepteurs de mort sont des prot ines transmembranaires contenant un domaine de liaison au ligand extracellulaire, un seul domaine transmembranaire et un domaine de mort intracellulaire, qui est n cessaire pour que les r cepteurs activent le programme apoptotique. Les r cepteurs sont des homotrimers et appartiennent la famille des r cepteurs du facteur de n crose tumorale (TNF), qui comprend un r cepteur pour le TNF lui-m me et le r cepteur de mort Fas. Les ligands qui activent les r cepteurs de mort sont galement des homotrimers ; elles sont structurellement li es les unes aux autres et appartiennent la famille des prot ines signaux TNF. Un exemple bien compris de la fa on dont les r cepteurs de mort d clenchent la voie extrins que de l'apoptose est l'activation de Fas la surface d'une cellule cible par un ligand Fas la surface d'un lymphocyte tueur (cytotoxique). Lorsqu'ils sont activ s par la liaison du ligand Fas, les domaines de mort sur les queues cytosoliques des r cepteurs de mort Fas se lient aux prot ines adaptatrices intracellulaires, qui leur tour se lient aux caspases initiatrices (principalement la caspase-8), formant un complexe de signalisation induisant la mort (DISC). Une fois dim ris es et activ es dans le DISC, les caspases initiatrices clivent leurs partenaires, puis activent les caspases ex cutives en aval pour induire l'apoptose (Figure 18 5). Dans certaines cellules, la voie extrins que recrute la voie apoptotique intrins que pour amplifier la cascade de caspases et tuer la cellule. De nombreuses cellules produisent des prot ines inhibitrices qui agissent pour restreindre la voie extrins que. Par exemple, certaines cellules produisent la prot ine FLIP, qui ressemble une caspase initiatrice mais n'a pas d'activit prot ase car elle n'a pas la cyst ine cl dans son site actif. FLIP se dim rise avec la caspase-8 dans le DISQUE ; Bien que la caspase-8 semble tre active chez ces h t rodim res, elle n'est pas cliv e au site requis pour son activation stable, et le signal apoptotique est bloqu . De tels m canismes inhibiteurs aident pr venir l'activation inappropri e de la voie extrins que de l'apoptose. la voie intrins que de l'apoptose d pend des mitochondries Les cellules peuvent galement activer leur programme d'apoptose l'int rieur de la cellule, souvent en r ponse des stress, tels que des dommag
Biologie moléculaire de la cellule	es l'ADN, ou en r ponse des signaux de d veloppement. Dans les cellules de vert br s, ces r ponses sont r gies par la voie intrins que, ou mitochondriale, de l'apoptose, qui d pend de la lib ration dans le cytosol de prot ines mitochondriales qui r sident normalement dans l'espace intermembranaire de ces organites (voir Figure 12-19). Certaines des prot ines lib r es activent une cascade prot olytique de caspase dans le cytoplasme, conduisant l'apoptose. Une prot ine cl de la voie intrins que est le cytochrome c, un composant hydrosoluble de la cha ne de transport d' lectrons mitochondrial. Lorsqu'il est lib r dans le cytosol (Figure 18-6), il assume une nouvelle fonction : il se lie une prot ine adaptatrice appel e Apaf1 (facteur d'activation de la prot ase apoptotique-1), provoquant l'oligom risation d'Apaf1 en un heptam re en forme de roue appel apoptosome. Les prot ines Apaf1 dans l'apoptosome recrutent ensuite les prot ines initiatrices de la caspase-9, que l'on pense tre activ es par la proximit dans l'apoptosome, tout comme la caspase-8 est activ e dans le DISC. Les mol cules de caspase-9 activ es activent ensuite les caspases ex cutives en aval pour induire l'apoptose (Figure 18 7). Les prot ines Bcl2 r gulent la voie intrins que de l'apoptose La voie intrins que de l'apoptose est troitement r gul e pour s'assurer que les cellules ne se tuent que lorsque cela est appropri . Une classe majeure de r gulateurs intracellulaires de la voie intrins que est la famille des prot ines Bcl2, qui, comme la famille des caspases, a t conserv e au cours de l' volution des vers aux humains ; une prot ine Bcl2 humaine, par exemple, peut supprimer l'apoptose lorsqu'elle est exprim e chez le ver Caenorhabditis elegans. Figure 18 5 La voie extrins que de l'apoptose activ e par les r cepteurs de mort Fas. Les ligands trim riques Fas la surface d'un lymphocyte tueur interagissent avec les r cepteurs trim riques Fas la surface de la cellule cible, conduisant l'agr gation de plusieurs trim res r cepteurs li s au ligand (un seul trim re est montr ici pour plus de clart ). le regroupement des r cepteurs active les domaines de mort sur les queues du r cepteur, qui interagissent avec des domaines similaires sur la prot ine adaptatrice FADD (FADD signifie Fas-associated death domain). Chaque prot ine FADD recrute ensuite une caspase initiatrice (caspase-8) via un domaine effecteur de mort la fois sur FADD et sur la caspase, formant un complexe de signalisation induisant la mort (DISC). l'int rieur du DISC, deux caspases initiatrices adjacentes interagissent et se clivent l'une l'autre pour former un dim re de prot ase activ , qui se clive ensuite dans la r gion reliant la prot ase au domaine de l'effecteur de mort. Cela stabilise et lib re le dim re de caspase actif dans le cytosol, o il active les caspases bourreaux en les clivant. Les prot ines de la famille Bcl2 des mammif res r gulent la voie intrins que de l'apoptose principalement en contr lant la lib ration du cytochrome c et d'autres prot ines mitochondriales intermembranaires dans le cytosol. Certaines prot ines de la famille Bcl2 sont pro-apoptotiques et favorisent l'apoptose en am liorant la lib ration, tandis que d'autres sont anti-apoptotiques et inhibent l'apoptose en bloquant la lib ration. Les prot ines pro-apoptotiques et anti-apoptotiques peuvent se lier l'une l'autre dans diverses combinaisons pour former des h t rodim res dans lesquels les deux prot ines inhibent la fonction de l'autre. L' quilibre entre les activit s de ces deux classes fonctionnelles de prot ines de la famille Bcl2 d termine en grande partie si une cellule de mammif re vit ou meurt par la voie intrins que de l'apoptose. Comme l'illustre la figure 18-8, les prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2, y compris Bcl2 elle-m me (le membre fondateur de la famille Bcl2) et BclXL, partagent quatre domaines d'homologie Bcl2 (BH1-4) distincts. Les prot ines pro-apoptotiques de la famille Bcl2 Figure 18 6 Lib ration du cytochrome c par les mitochondries dans la voie intrins que de l'apoptose. Micrographies fluorescence de cellules canc reuses humaines en culture. (A) les cellules t moins ont t transfect es avec un g ne codant pour une prot ine de fusion constitu e du cytochrome c li la prot ine fluorescente verte (cytochromec-GFp) ; Ils ont galement t trait s avec un colorant rouge qui s'accumule dans les mitochondries. le chevauchement de la distribution du vert et du rouge indique que le cytochromec-GFp est situ dans les mitochondries. (B) Les cellules exprimant le cytochrome-c-GFp ont t irradi es avec de la lumi re ultraviolette (UV) pour induire la voie intrins que de l'apoptose et ont t photographi es 5 heures plus tard. les six cellules de la moiti inf rieure de cette micrographie ont lib r leur cytochrome C des mitochondries dans le cytosol, alors que les cellules de la moiti sup rieure de la micrographie ne l'ont pas encore fait (fi
Biologie moléculaire de la cellule	lm 18.1). (D'apr s J.C. Goldstein et al., Nat. Cell Biol. 2:156-162, 2000. Avec l'autorisation de Macmillan publishers Ltd.) l'activation de la caspase-9, qui clive et active ainsi les caspases du bourreau Figure 18 7 La voie intrins que de l'apoptose. Les stimuli apoptotiques intracellulaires am nent les mitochondries lib rer le cytochrome c, qui interagit avec Apaf1. la liaison du cytochrome c provoque le d ploiement partiel d'Apaf1, exposant un domaine qui interagit avec le m me domaine dans d'autres mol cules Apaf1 activ es. Sept prot ines Apaf1 activ es forment un grand complexe cyclique appel apoptosome. Chaque prot ine Apaf1 contient un domaine de recrutement de caspases (CArD), et ceux-ci sont regroup s au-dessus du moyeu central de l'apoptosome. les CArDs se lient des domaines similaires dans plusieurs mol cules de caspase-9, qui sont ainsi recrut es dans l'apoptosome et activ es. Le m canisme d'activation de la caspase-9 n'est pas clair : il r sulte probablement de la dim risation et le clivage des prot ines adjacentes de la caspase-9, mais cela pourrait galement d pendre des interactions entre la caspase-9 et Apaf1. Une fois activ e, la caspase-9 se clive et active ainsi les caspases du bourreau en aval. Notez que la structure et la fonction de la CArD sont li es au domaine effecteur de mort de la caspase-8 (voir Figure 18-5). Certains scientifiques utilisent le terme apoptosome pour d signer le complexe contenant la caspase-9. (p. ex., Bcl2, BclXL) (p. ex., Bax, Bak) (par exemple, Bad, Bim, Bid, Puma, Noxa) se composent de deux sous-familles : les prot ines effectrices de la famille Bcl2 et les prot ines BH3 uniquement. Les principales prot ines effectrices sont Bax et Bak, qui sont structurellement similaires Bcl2 mais n'ont pas le domaine BH4. Les prot ines BH3 partagent une homologie de s quence avec Bcl2 dans le domaine BH3 uniquement. Lorsqu'un stimulus apoptotique d clenche la voie intrins que, les prot ines effectrices pro-apoptotiques de la famille Bcl2 s'activent et s'agr gent pour former des oligom res dans la membrane externe mitochondriale, induisant la lib ration du cytochrome c et d'autres prot ines intermembranaires par un m canisme inconnu (Figure 18 9). Dans les cellules de mammif res, Bax et Bak sont les principales prot ines effectrices de la famille Bcl2, et au moins l'une d'entre elles est n cessaire au fonctionnement de la voie intrins que de l'apoptose : les cellules de souris mutantes qui n'ont pas les deux prot ines sont r sistantes tous les signaux pro-apoptotiques qui activent normalement cette voie. Alors que Bak est li la membrane externe mitochondriale m me en l'absence d'un signal apoptotique, Bax est principalement situ dans le cytosol et ne se d place vers les mitochondries qu'apr s qu'un signal apoptotique l'ait activ . Comme nous le verrons ci-dessous, l'activation de Bax et Bak d pend g n ralement de l'activation des prot ines pro-apoptotiques BH3. Les prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2, telles que Bcl2 elle-m me et BclXL, sont galement situ es sur la surface cytosolique de la membrane mitochondriale externe, o elles aident pr venir la lib ration inappropri e de prot ines intermembranaires. Les prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2 inhibent l'apoptose principalement en se liant et en inhibant les prot ines pro-apoptotiques de la famille Bcl2, soit sur la membrane mitochondriale, soit dans le cytosol. Sur la membrane mitochondriale externe, par exemple, ils se lient Bak et l'emp chent de s'oligom riser, inhibant ainsi la lib ration du cytochrome c et d'autres prot ines intermembranaires. Il existe au moins cinq prot ines de la famille Bcl2 anti-apoptotiques chez les mammif res, et chaque cellule de mammif re a besoin d'au moins une pour survivre. De plus, un certain nombre de ces prot ines doivent tre inhib es pour que la voie intrins que induise l'apoptose ; les prot ines BH3 uniquement m dient l'inhibition. Les prot ines BH3 sont la plus grande sous-classe des prot ines de la famille Bcl2. La cellule les produit ou les active en r ponse un stimulus apoptotique, et on pense qu'ils favorisent l'apoptose principalement en inhibant la famille Bcl2 anti-apoptotique Figure 18 8 Les trois classes de prot ines de la famille Bcl2. Notez que le domaine Bh3 est le seul domaine Bh partag par tous les membres de la famille Bcl2 ; Il m die les interactions directes entre les membres de la famille pro-apoptotique et anti-apoptotique. Figure 18 9 : Le r le des prot ines effectrices pro-apoptotiques de la famille Bcl2 (principalement Bax et Bak) dans la lib ration de prot ines intermembranaires mitochondriales dans la voie intrins que de l'apoptose. Lorsqu'elles sont activ es par un stimulus apoptotique, les prot ines effectrices de la famille Bcl2 s'agr gent sur la membrane mitochondriale externe et lib rent le cytochrome c et d'autres prot ines de l'espace intermembranaire dans le cytosol par un m canisme inconnu. p
Biologie moléculaire de la cellule	rot ine. Leur domaine BH3 se lie un long sillon hydrophobe sur les prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2, neutralisant leur activit . Cette liaison et cette inhibition permettent l'agr gation de Bax et Bak la surface des mitochondries, ce qui d clenche la lib ration des prot ines mitochondriales intermembranaires qui induisent l'apoptose (Figure 18 10). Certaines prot ines BH3 uniquement peuvent se lier directement Bax et Bak pour aider stimuler leur agr gation. Les prot ines BH3 uniquement fournissent le lien crucial entre les stimuli apoptotiques et la voie intrins que de l'apoptose, avec diff rents stimuli activant diff rentes prot ines BH3only. Certains signaux de survie extracellulaires, par exemple, bloquent l'apoptose en inhibant la synth se ou l'activit de certaines prot ines uniquement BH3 (voir Figure 18 12B). De m me, en r ponse des dommages l'ADN qui ne peuvent pas tre r par s, la prot ine suppressive de tumeur p53 s'accumule (discut e dans les chapitres 17 et 20) et active la transcription des g nes qui codent pour les prot ines BH3 Puma et Noxa. Ces prot ines BH3 d clenchent alors la voie intrins que, liminant ainsi une cellule potentiellement dangereuse qui pourrait autrement devenir canc reuse. Comme mentionn pr c demment, dans certaines cellules, la voie apoptotique extrins que recrute la voie intrins que pour amplifier la cascade de caspase afin de tuer la cellule. La prot ine Bid, uniquement BH3, est le lien entre les deux voies. L'ench re est normalement inactive. Cependant, lorsque les r cepteurs de mort activent la voie extrins que dans certaines cellules, la caspase initiatrice, la caspase-8, clive Bid, produisant une forme active de Bid qui se d place vers la membrane mitochondriale externe et inhibe les prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2, amplifiant ainsi le signal de mort. Figure 18 10 Comment les prot ines pro-apoptotiques de la famille BH3only et anti-apoptotiques Bcl2 r gulent la voie intrins que de l'apoptose. (A) En l'absence d'un stimulus apoptotique, les prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2 se lient aux prot ines effectrices de la famille Bcl2 et les inhibent sur la membrane externe mitochondriale (et dans le cytosol - non illustr ). (B) En pr sence d'un stimulus apoptotique, les prot ines Bh3-only sont activ es et se lient aux prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2 de sorte qu'elles ne peuvent plus inhiber les prot ines effectrices de la famille Bcl2 ; Ces derniers s'activent alors, s'agr gent dans la membrane mitochondriale externe et favorisent la lib ration de prot ines mitochondriales intermembranaires dans le cytosol. Certaines prot ines Bh3only activ es peuvent stimuler la lib ration de prot ines mitochondriales plus directement en se liant et en activant les prot ines effectrices de la famille Bcl2. Bien que cela ne soit pas repr sent , les prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2 sont li es la surface mitochondriale. Parce que l'activation d'une cascade de caspases conduit une mort certaine, la cellule utilise plusieurs m canismes robustes pour s'assurer que ces prot ases ne sont activ es que lorsque cela est appropri . Une ligne de d fense est fournie par une famille de prot ines appel es inhibiteurs de l'apoptose (IAP). Ces prot ines ont t identifi es pour la premi re fois chez certains virus d'insectes (baculovirus), qui codent pour des prot ines IAP afin d'emp cher une cellule h te infect e par le virus de se tuer par apoptose. On sait maintenant que la plupart des cellules animales fabriquent galement des prot ines IAP. Tous les IAP ont un ou plusieurs domaines BIR (baculovirus IAP repeat), qui leur permettent de se lier aux caspases activ es et de les inhiber. Certains IAP polyubiquitylient galement les caspases, marquant les caspases pour la destruction par les prot asomes. De cette fa on, les IAP fixent un seuil inhibiteur que les caspases doivent surmonter pour d clencher l'apoptose. Chez la drosophile au moins, la barri re inhibitrice fournie par les IAP peut tre neutralis e par les prot ines anti-IAP, qui sont produites en r ponse divers stimuli apoptotiques. Il existe de nombreux anti-IAP chez les mouches, y compris Reaper, Grim et Hid, et leur seule similitude structurelle est leur motif court, N-terminal, de liaison l'IAP, qui se lie au domaine BIR des IAP, emp chant le domaine de se lier une caspase. La d l tion des trois g nes codant pour Reaper, Grim et Hid bloque l'apoptose chez les mouches. l'inverse, l'inactivation de l'un des deux g nes qui codent pour les IAPs chez la drosophile provoque l'apoptose de toutes les cellules de l'embryon de mouche en d veloppement. De toute vidence, l' quilibre entre les PAI et les anti-PAI est troitement r glement et est crucial pour contr ler l'apoptose chez la mouche. Le r le des prot ines IAP et anti-IAP chez les mammif res dans l'apoptose est moins clair. Les anti-IAP sont lib r s de l'espace intermembranaire mitochondrial
Biologie moléculaire de la cellule	lorsque la voie intrins que de l'apoptose est activ e, bloquant les IAP dans le cytosol et favorisant ainsi l'apoptose. Cependant, les souris semblent se d velopper normalement si elles n'ont pas l'IAP principal mammif re (appel XIAP) ou les deux anti-IAP connus chez les mammif res (appel s Smac/Diablo et Omi). Les vers ne contiennent m me pas de prot ine IAP inhibitrice de la caspase. Apparemment, le contr le strict de l'activit des caspases est r alis par diff rents m canismes chez diff rents animaux. Les signaux intercellulaires r gulent la plupart des activit s des cellules animales, y compris l'apoptose. Ces signaux extracellulaires font partie des contr les sociaux normaux qui garantissent que les cellules individuelles se comportent pour le bien de l'organisme dans son ensemble dans ce cas, en survivant lorsqu'elles sont n cessaires et en se tuant lorsqu'elles ne le sont pas. Certaines mol cules de signal extracellulaire stimulent l'apoptose, tandis que d'autres l'inhibent. Nous avons discut des prot ines de signal telles que le ligand Fas qui activent les r cepteurs de mort et d clenchent ainsi la voie extrins que de l'apoptose. D'autres mol cules de signal extracellulaire qui stimulent l'apoptose sont particuli rement importantes lors du d veloppement des vert br s : une pouss e d'hormones thyro diennes dans la circulation sanguine, par exemple, signale aux cellules de la queue du t tard de subir l'apoptose lors de la m tamorphose. Chez la souris, les prot ines de signal produites localement stimulent les cellules entre les doigts et les orteils en d veloppement se tuer (voir Figure 18 2). Ici, cependant, nous nous concentrons sur les mol cules de signal extracellulaire qui inhibent l'apoptose, qui sont collectivement appel es facteurs de survie. La plupart des cellules animales ont besoin d'une signalisation continue d'autres cellules pour viter l'apoptose. Cet arrangement surprenant permet apparemment de s'assurer que les cellules ne survivent qu'au moment et l'endroit o elles sont n cessaires. Les cellules nerveuses, par exemple, sont produites en exc s dans le syst me nerveux en d veloppement, puis entrent en comp tition pour des quantit s limit es de facteurs de survie qui sont s cr t s par les cellules cibles auxquelles elles se connectent normalement (voir Figure 21-81). Les cellules nerveuses qui re oivent suffisamment de signaux de survie vivent, tandis que les autres meurent. De cette fa on, le nombre de neurones survivants est automatiquement ajust afin qu'il soit adapt au nombre de cellules cibles avec lesquelles ils se connectent (Figure 18 11). On pense qu'une comp tition similaire pour des quantit s limit es de facteurs de survie produits par les cellules voisines contr le le nombre de cellules dans d'autres tissus, la fois pendant le d veloppement et l' ge adulte. Les facteurs de survie se lient g n ralement aux r cepteurs de surface cellulaire, qui activent les voies de signalisation intracellulaires qui suppriment le programme apoptotique, souvent en r gulant les membres de la famille des prot ines Bcl2. Certains facteurs de survie, par exemple, stimulent la synth se de prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2 telles que Bcl2 elle-m me ou BclXL (Figure 18 12A). D'autres agissent en inhibant la fonction des prot ines pro-apoptotiques BH3-only telles que Bad (Figure M18 12B). Chez la drosophile, certains facteurs de survie agissent en phosphorylant et en inactivant des prot ines anti-IAP telles que Hid, permettant ainsi aux prot ines IAP de supprimer l'apoptose (Figure 18 12C). Certains neurones en d veloppement, comme ceux illustr s aux figures 18 et 11, utilisent une approche alternative ing nieuse : les r cepteurs du facteur de survie stimulent l'apoptose par un m canisme inconnu lorsqu'ils ne sont pas occup s, puis cessent de favoriser la mort lorsque le facteur de survie se lie. Le r sultat final dans tous ces cas est le m me : la survie cellulaire d pend de la liaison du facteur de survie. les phagocytes liminent la cellule apoptotique La mort cellulaire apoptotique est un processus remarquablement ordonn : la cellule apoptotique et ses fragments ne s'ouvrent pas et ne lib rent pas leur contenu, mais restent intacts car ils sont efficacement mang s ou phagocyt s par les cellules voisines, ne laissant aucune trace et ne d clenchant donc aucune r ponse inflammatoire (voir Figure 18-1B et Vid o 13.5). Ce processus d'engloutissement d pend de changements chimiques la surface de la cellule apoptotique, qui affiche des signaux qui recrutent des cellules phagocytaires. Un changement particuli rement important se produit dans la distribution de la phospholipide phosphatidyls rine charg e n gativement la surface de la cellule. Ce phospholipide est normalement situ exclusivement dans le feuillet interne de la bicouche lipidique de la membrane plasmique (voir Figure 10-15), mais il bascule vers le feuillet externe dans les cellules apoptoti
Biologie moléculaire de la cellule	ques. Le Figure 18 11 Le r le des facteurs de survie et de la mort cellulaire dans l'ajustement du nombre de cellules nerveuses en d veloppement la quantit de tissu cible. Plus de cellules nerveuses sont produites que ce qui peut tre soutenu par la quantit limit e de facteurs de survie lib r s par les cellules cibles. Par cons quent, certaines cellules nerveuses re oivent une quantit insuffisante de facteurs de survie pour viter l'apoptose. Cette strat gie de surproduction suivie d'un abattage permet de s'assurer que toutes les cellules cibles sont en contact avec les cellules nerveuses et que les cellules nerveuses suppl mentaires sont automatiquement limin es. Figure 18 12 Trois fa ons dont les facteurs de survie extracellulaires peuvent inhiber l'apoptose. (A) Certains facteurs de survie supprimer l'apoptose en stimulant la transcription des g nes qui codent pour les prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2 telles que Bcl2 lui-m me ou BclXL. (B) Beaucoup d'autres activent la prot ine kinase s rine/thr onine Akt, qui, parmi de nombreuses autres cibles, phosphoryle et inactive la prot ine pro-apoptotique Bh3-only Bad (voir Figure 15-53). Lorsqu'il n'est pas phosphoryl , Bad favorise l'apoptose en se liant Bcl2 et en l'inhibant ; une fois phosphoryl , Bad se dissocie, lib rant Bcl2 pour supprimer l'apoptose. Akt supprime galement l'apoptose en phosphorylant et en inactivant les prot ines r gulatrices de transcription qui stimulent la transcription des g nes codant pour des prot ines qui favorisent l'apoptose (non illustr ). (C) Chez la drosophile, certains facteurs de survie inhibent l'apoptose en stimulant la phosphorylation de la prot ine anti-IAp hid. Lorsqu'il n'est pas phosphoryl , hid favorise la mort cellulaire en inhibant les IAps. Une fois phosphoryl e, hid n'inhibe plus les IAps, qui deviennent actives et bloquent l'apoptose. MAp kinase, prot ine kinase activ e par les mitog nes. Le m canisme sous-jacent est mal compris, mais l'exposition externe la phosphatidyls rine d pend probablement du clivage de la caspase de certaines prot ines impliqu es dans la distribution des phospholipides dans la membrane. Une vari t de prot ines solubles de pontage interagissent avec la phosphatidyls rine expos e sur la cellule apoptotique. Ces prot ines de pontage interagissent galement avec des r cepteurs sp cifiques la surface d'une cellule ou d'un macrophage voisin, d clenchant des changements cytosquelettiques et d'autres changements qui initient le processus d'engloutissement. Les macrophages ne phagocytent pas les cellules saines de l'animal, malgr le fait que les cellules saines exposent normalement de la phosphatidyls rine leur surface. Les cellules saines expriment leur surface des prot ines de signal qui interagissent avec les r cepteurs inhibiteurs des macrophages qui bloquent la phagocytose. Ainsi, en plus d'exprimer des signaux de surface cellulaire tels que la phosphatidyls rine qui stimulent la phagocytose, les cellules apoptotiques doivent perdre ou inactiver ces signaux ne me mange pas qui bloquent la phagocytose. Une apoptose excessive ou insuffisante peut contribuer la maladie Il existe de nombreux troubles humains dans lesquels un nombre excessif de cellules subissent une apoptose et contribuent ainsi des l sions tissulaires. Parmi les exemples les plus dramatiques figurent les crises cardiaques et les accidents vasculaires c r braux. Dans ces conditions aigu s, de nombreuses cellules meurent par n crose la suite d'une isch mie (apport sanguin insuffisant), mais certaines des cellules les moins touch es meurent par apoptose. On esp re qu' l'avenir, les m dicaments qui bloquent l'apoptose, tels que les inhibiteurs sp cifiques de la caspase, s'av reront utiles pour sauver ces cellules. Il existe d'autres conditions o trop peu de cellules meurent par apoptose. Les mutations chez la souris et l'homme, par exemple, qui inactivent les g nes qui codent pour le r cepteur de la mort Fas ou le ligand Fas emp chent la mort normale de certains lymphocytes, provoquant l'accumulation excessive de ces cellules dans la rate et les ganglions lymphatiques. Dans de nombreux cas, cela conduit une maladie auto-immune, dans laquelle les lymphocytes r agissent contre les propres tissus de l'individu. La diminution de l'apoptose apporte galement une contribution importante de nombreuses tumeurs, car les cellules canc reuses r gulent souvent leur programme apoptotique de mani re anormale. Le g ne Bcl2, par exemple, a t identifi pour la premi re fois dans une forme courante de cancer des lymphocytes chez l'homme, o une translocation chromosomique provoque une production excessive de la prot ine Bcl2 ; en effet, Bcl2 tire son nom de ce lymphome cellules B. Le niveau lev de prot ine Bcl2 dans les lymphocytes qui portent la translocation favorise le d veloppement du cancer en inhibant l'apoptose, prolongeant ainsi la survie des lymphocytes et augmentant leur n
Biologie moléculaire de la cellule	ombre ; Il diminue galement la sensibilit des cellules aux m dicaments anticanc reux, qui agissent g n ralement en provoquant l'apoptose des cellules canc reuses. De m me, le g ne codant pour la prot ine suppressive de tumeur p53 est mut dans environ 50% des cancers humains, de sorte qu'il ne favorise plus l'apoptose ou l'arr t du cycle cellulaire en r ponse aux dommages l'ADN. L'absence de fonction p53 permet donc aux cellules canc reuses de survivre et de prolif rer m me lorsque leur ADN est endommag ; de cette fa on, les cellules accumulent plus de mutations, dont certaines rendent le cancer plus malin (discut au chapitre 20). Comme de nombreux m dicaments anticanc reux induisent l'apoptose (et l'arr t du cycle cellulaire) par un m canisme d pendant de p53 (discut dans les chapitres 17 et 20), la perte de la fonction p53 rend galement les cellules canc reuses moins sensibles ces m dicaments. Si la diminution de l'apoptose contribue de nombreux cancers, nous pourrions tre en mesure de traiter ces cancers avec des m dicaments qui stimulent l'apoptose. Cette ligne de pens e a r cemment conduit au d veloppement de petits produits chimiques qui interf rent avec la fonction des prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2 telles que Bcl2 et BclXL. Ces produits chimiques se lient avec une grande affinit au sillon hydrophobe des prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2, bloquant leur fonction essentiellement de la m me mani re que les prot ines BH3 uniquement (Figure 18 13). La voie intrins que de l'apoptose est ainsi stimul e, ce qui, dans certaines tumeurs, augmente la quantit de mort cellulaire. La plupart des cancers humains surviennent dans les tissus pith liaux tels que ceux du poumon, du tractus intestinal, du sein et de la prostate. Ces cellules canc reuses pr sentent de nombreuses anomalies dans leur comportement, notamment une diminution de la capacit adh rer la matrice extracellulaire et les unes aux autres aux jonctions cellule-cellule sp cialis es. Dans le chapitre suivant, nous aborderons les structures et les fonctions remarquables de la matrice extracellulaire et des jonctions cellulaires. Les cellules animales peuvent activer un programme de mort intracellulaire et se tuer de mani re contr l e lorsqu'elles sont endommag es de mani re irr versible, qu'elles ne sont plus n cessaires ou qu'elles constituent une menace pour l'organisme. Dans la plupart des cas, ces d c s se produisent par apoptose : les cellules r tr cissent, se condensent et se fragmentent fr quemment, et les cellules voisines ou les macrophages phagocytent rapidement les cellules ou les fragments avant qu'il n'y ait une fuite du contenu cytoplasmique. L'apoptose est m di e par des enzymes prot olytiques appel es caspases, qui clivent des prot ines intracellulaires sp cifiques pour aider tuer la cellule. Les caspases sont pr sentes dans toutes les cellules animales nucl es en tant que pr curseurs inactifs. Les caspases initiatrices sont activ es lorsqu'elles sont rapproch es dans des complexes d'activation : une fois activ es, elles clivent et activent ainsi les caspases bourreaux en aval, qui clivent ensuite diverses prot ines cibles dans la cellule, produisant une cascade prot olytique amplificatrice et irr versible. Les cellules utilisent au moins deux voies distinctes pour activer les caspases initiatrices et d clencher une cascade de caspases conduisant l'apoptose : la voie extrins que est activ e par des ligands extracellulaires se liant aux r cepteurs de mort la surface cellulaire ; La voie intrins que est activ e par des signaux intracellulaires g n r s lorsque les cellules sont stress es. Chaque voie utilise ses propres caspases initiatrices, qui sont activ es dans des complexes d'activation distincts : dans la voie extrins que, les r cepteurs de mort recrutent la caspase-8 via des prot ines adaptatrices pour former le DISC ; dans la voie intrins que, le cytochrome C lib r de l'espace intermembranaire des mitochondries active Apaf1, qui s'assemble en un apoptosome et recrute et active la caspase-9. Les prot ines intracellulaires de la famille Bcl2 et les prot ines IAP r gulent troitement le programme apoptotique pour s'assurer que les cellules ne se tuent que lorsque cela profite l'animal. Les prot ines anti-apoptotiques et pro-apoptotiques de la famille Bcl2 r gulent la voie intrins que en contr lant la lib ration de prot ines intermembranaires mitochondriales, tandis que les prot ines IAP inhibent les caspases activ es et favorisent leur d gradation. Figure 18 13 Comment le produit chimique ABT737 inhibe les prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2. Comme le montre la figure 18-10B, un signal apoptotique entra ne l'activation des prot ines Bh3 uniquement, qui interagissent avec un long sillon hydrophobe dans les prot ines anti-apoptotiques de la famille Bcl2, les emp chant ainsi de bloquer l'apoptose. En utilisant la structure cristalline du sillon, le m dicament montr
Biologie moléculaire de la cellule	en (A), appel ABt-737, a t con u et synth tis pour se lier troitement dans le sillon, comme montr pour la prot ine anti-apoptotique de la famille Bcl2, BclXL, en (B). En inhibant l'activit de ces prot ines, le m dicament favorise l'apoptose dans toute cellule qui en d pend pour sa survie. (code pDB : 2YXJ.) Combien de formes de mort cellulaire programm e existe-t-il ? Quels sont les m canismes sous-jacents et les avantages de chacun ? Des milliers de substrats de caspase ont t identifi s. Quelles sont les prot ines critiques qui doivent tre cliv es pour d clencher les principaux v nements de remodelage cellulaire sous-jacents l'apoptose ? Comment la voie intrins que de l'apoptose a-t-elle volu et quel est l'avantage d'avoir des mitochondries jouant un r le aussi central dans la r gulation de l'apoptose ? Comment les signaux Don't Eat Me sont-ils limin s ou inactiv s pendant l'apoptose pour permettre aux cellules d' tre phagocyt ? Quelles d clarations sont vraies ? Expliquez pourquoi ou pourquoi pas. 18 1 Dans les tissus adultes normaux, la mort cellulaire quilibre g n ralement la division cellulaire. 18 2 Les cellules de mammif res qui n'ont pas de cytochrome c devraient tre r sistantes l'apoptose induite par les dommages l'ADN. Discutez des probl mes suivants. 18 3 Un r le important du Fas et du ligand Fas est de favoriser l' limination des cellules tumorales par les lymphocytes tueurs. Dans une tude portant sur 35 tumeurs primaires du poumon et du c lon, la moiti des tumeurs pr sentaient une amplification et une surexpression d'un g ne d'une prot ine s cr t e qui se lie au ligand Fas. Comment pensez-vous que la surexpression de cette prot ine pourrait contribuer la survie de ces cellules tumorales ? Expliquez votre raisonnement. 18 4 Le d veloppement du n matode Caenorhabditis elegans g n re exactement 959 cellules somatiques ; Il produit galement 131 cellules suppl mentaires qui sont ensuite limin es par apoptose. Des exp riences g n tiques classiques chez C. elegans ont isol des mutants qui ont conduit l'identification des premiers g nes impliqu s dans l'apoptose. Parmi les nombreuses mutations affectant l'apoptose chez le n matode, aucune n'a jamais t trouv e dans le g ne du cytochrome c. Pourquoi pensez-vous qu'une mol cule effectrice aussi centrale dans l'apoptose n'a pas t trouv e dans les nombreux criblages g n tiques pour les g nes de la mort qui ont t effectu s chez C. elegans ? 18 5 Imaginez que vous puissiez micro-injecter du cytochrome c dans le cytosol de cellules de mammif res de type sauvage et de cellules doublement d fectueuses pour Bax et Bak. Vous attendriez-vous ce qu'un, les deux ou aucun des deux types de cellules ne subissent l'apoptose ? Expliquez votre raisonnement. Contrairement leurs anomalies c r brales similaires, les souris nouveau-n es d ficientes en Apaf1 ou en caspase-9 ont des anomalies distinctives dans leurs pattes. Les souris d ficientes en Apaf1 ne parviennent pas liminer les toiles entre leurs doigts en d veloppement, tandis que les souris d ficientes en caspase-9 ont normalement form des doigts (Figure Q18 1). Si Apaf1 et la caspase-9 fonctionnent dans la m me voie apoptotique, comment est-il possible que ces souris d ficientes diff rent dans l'apoptose des cellules de toile ? Figure Q18 1 Apparence des pattes chez les souris nouveau-n es Apaf1 / et Casp9 / par rapport aux souris nouveau-n es normales (probl me +/+ / 18 6). (D'apr s h. Yoshida et al., Cell 94:739 Casp9 750, 1998. Avec l'autorisation d'Elsevier.) Lorsque les cellules canc reuses humaines sont expos es la lumi re ultraviolette (UV) 90 mJ/cm2, la plupart des cellules subissent l'apoptose dans les 24 heures. La lib ration de cytochrome c par les mitochondries peut tre d tect e d s 6 heures apr s l'exposition d'une population de cellules la lumi re UV, et elle continue d'augmenter pendant plus de 10 heures par la suite. Cela signifie-t-il que les cellules individuelles lib rent lentement leur cytochrome c au cours de cette p riode ? Ou, alternativement, les cellules individuelles lib rent-elles leur cytochrome c rapidement, mais avec des cellules diff rentes d clench es sur une plus longue p riode de temps ? Pour r pondre cette question fondamentale, vous avez fusionn le g ne de la prot ine fluorescente verte (GFP) avec le g ne du cytochrome c, afin de pouvoir observer le comportement des cellules individuelles par microscopie confocale fluorescence. Dans les cellules qui expriment la fusion cytochrome c-GFP, la fluorescence montre le motif ponctu typique des prot ines mitochondriales. Vous irradiez ensuite ces cellules avec de la lumi re UV et observez les cellules individuelles pour d tecter les changements dans le motif de ponctuation. Deux de ces cellules (entour es de blanc) sont illustr es aux figures Q18-2A et B. La lib ration du cytochrome c-GFP est d tect e comme un changement d'un motif ponctu un motif di
Biologie moléculaire de la cellule	ffus de fluorescence. Les temps apr s l'exposition aux UV sont indiqu s en heures :minutes sous les panneaux individuels. Quel mod le de lib ration du cytochrome c ces observations soutiennent-elles ? Expliquez votre raisonnement. 10:09 10:15 17:10 17:18 Figure Q18 2 Analyse microscopique par fluorescence vid o time-lapse de la lib ration du cytochrome c GFp par les mitochondries de cellules individuelles (probl me 18 7). (A) Cellules observ es pendant 6 minutes, 10 heures apr s l'irradiation UV. (B) Cellules observ es pendant 8 minutes, 17 heures apr s l'irradiation UV. Une cellule en (A) et une en (B), chacune entour e de blanc, ont lib r leur cytochrome c-GFp pendant la p riode de l'observation, qui est indiqu e en heures/minutes sous chaque panneau. (Extrait de J.C. Goldstein et al., Nat. Cell Biol. 2:156-162, 2000. Avec l'autorisation de Macmillan publishers Ltd.) Le ligand 18 8 Fas est une prot ine trim rique extracellulaire qui se lie son r cepteur, Fas, qui est compos de trois sous-unit s transmembranaires identiques (Figure Q18 3). La liaison du ligand Fas modifie la conformation de Fas de sorte qu'il se lie une prot ine adaptatrice, qui recrute et active ensuite la caspase-8, d clenchant une cascade de caspases qui conduit la mort cellulaire. Chez l'homme, le syndrome lymphoprolif ratif auto-immun (ALPS) est associ des mutations dominantes dans le Fas qui incluent des mutations ponctuelles et des troncatures C-terminales 1034 Chapitre 18 : Mort cellulaire. Chez les individus h t rozygotes pour de telles mutations, les lymphocytes ne meurent pas leur rythme normal et s'accumulent en nombre anormalement lev , provoquant une vari t de probl mes cliniques. Contrairement ces patients, les individus h t rozygotes pour des mutations qui liminent compl tement l'expression de Fas ne pr sentent aucun sympt me clinique. A. En supposant que les formes normales et dominantes de Fas sont exprim es au m me niveau et lient le ligand Fas de mani re gale, quelle fraction des complexes Fas-ligands Fas sur un lymphocyte d'un patient ALPS h t rozygote devrait tre enti rement compos e de sous-unit s Fas normales ? B. Chez un individu h t rozygote pour une mutation qui limine l'expression de Fas, quelle fraction des complexes de ligands Fas-Fas devrait tre enti rement compos e de sous-unit s normales de Fas ? C. Pourquoi les mutations de Fas associ es ALPS sont-elles dominantes, tandis que celles qui liminent l'expression de Fas sont r cessives ? Crawford, ED, & Wells, JA (2011) Substrats de caspase et remodelage cellulaire. Annu. R v. Biochem. 80, 1055 1087. Czabotar pE, Lessene G, Strasser A et al. (2014) Contr le de l'apoptose par la famille de prot ines BCL-2 : implications pour la physiologie et la th rapie. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 15, 49 63. Danial NN & korsmeyer SJ (2004) Mort cellulaire : points de contr le critiques. Cellule 116, 205 219. Elliott M. & ravichandran kS (2010) limination des cellules apoptotiques : implications dans la sant et la maladie. J. Cell Biol. 189, 1059 1070. Ellis rE, Yuan JY & horvitz rA (1991) M canismes et fonctions de la mort cellulaire. Annu. Rev. Cell Biol. 7, 663 698. Fadok VA & henson pM (2003) Apoptose : donner une assistance la reconnaissance de la phosphatidyls rine - avec une torsion. Curr. Biol. 13, r655 r657. Green Dr (2011) signifie une fin : l'apoptose et autres m canismes de mort cellulaire. Cold Spring harbor, New York : Cold Spring harbor Laboratory press. Jacobson MD, Weil M et Raff MC (1997) ont programm la mort cellulaire dans le d veloppement animal. Cellule 88, 347 354. Jiang X & Wang X (2004) Apoptose m di e par le cytochrome C. Annu. R v. Biochem. 73, 87 106. kerr JF, Wyllie Ah & Currie Ar (1972) L'apoptose : un ph nom ne biologique fondamental avec de vastes implications dans la cin tique tissulaire. Brit. J. Cancer 26, 239 257. kumar S (2007) Fonction des caspases dans la mort cellulaire programm e. La mort cellulaire diff re. 14, 32 43. Figure Q18 3 La liaison du ligand trim rique Fas Fas (probl me 18 8). Lavrik I, Golks A & krammer ph (2005) Signalisation du r cepteur de la mort. J. Cell Sci. 118, 265 267. Lessene G, Czabotar pE & Colman pM (2008) Antagonistes de la famille BCL-2 pour le traitement du cancer. Nat. Rev. Drug Discov. 7, 989 1000. Mace & riedl SJ (2010) Plateformes et assemblages de mort cellulaire mol culaire. Curr. Opin. Biol. cellulaire 22, 828 836. Nagata S (2005) D gradation de l'ADN en d veloppement et mort cellulaire programm e. Annu. Rev. Immunol. 23, 853 875. raff MC (1999) Suicide cellulaire pour les d butants. Nature 396, 119 122. tait SW & Green Dr (2013) R gulation mitochondriale de la mort cellulaire. Printemps froid Harb. Perspect. Biol. 5, a008706. Vanden Berghe t, Linkermann A, Jouan-Lanhouet S et al. (2014) n crose r gul e : le r seau en expansion des voies de mort cellulaire non apoptotiques. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 15, 135 147. Vousden kh (2005
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Biologie moléculaire de la cellule	tif, le principal composant porteur de stress est la matrice extracellulaire. Dans le tissu pith lial, ce sont les cytosquelettes des cellules elles-m mes, reli s de cellule cellule par des jonctions adh sives. Les attaches de la matrice cellulaire lient le tissu pith lial au tissu conjonctif situ en dessous. La jonction adh rente relie le faisceau de flaments d'actine dans une cellule celui de la cellule suivante Le desmosome relie les flaments interm diaires d'une cellule ceux de la prochaine jonction de l'espace cellulaire Permet le passage de petites mol cules solubles dans l'eau d'une cellule l'autre Figure 19 2 R sum des diff rentes jonctions cellulaires trouv es dans une cellule pith liale de vert br , class es selon leurs fonctions primaires. Dans la partie la plus apicale de la cellule, les positions relatives des jonctions sont les m mes dans presque tous les pith liums des vert br s. la jonction serr e occupe la position la plus apicale, suivie de la jonction adh rente (ceinture d'adh rence) puis d'une rang e parall le sp ciale de desmosomes ; Ensemble, ils forment une structure appel e complexe jonctionnel. Les jonctions lacunaires et les desmosomes suppl mentaires sont moins r guli rement organis s. Deux types de jonctions d'ancrage cellule-matrice lient la surface basale de la cellule la lame basale. Le dessin est bas sur les cellules pith liales de l'intestin gr le. Figure 19 3 Les prot ines d'adh sion transmembranaire lient le cytosquelette aux structures extracellulaires. La liaison externe peut se faire soit avec d'autres cellules (jonctions cellule-cellule, m di es g n ralement par les cadh rines), soit avec la matrice extracellulaire (jonctions cellule-matrice, m di es g n ralement par les int grines). La liaison interne avec le cytosquelette est g n ralement indirecte, via des prot ines adaptatrices intracellulaires, dont nous parlerons plus loin. Deux autres types de jonction cellule-cellule sont illustr s la figure 19-2. Des jonctions serr es maintiennent les cellules troitement ensemble pr s de l'apex, scellant l'espace entre les cellules et emp chant ainsi les mol cules de s' chapper travers l' pith lium. Pr s de l'extr mit basale des cellules se trouvent des jonctions formant des canaux, appel es jonctions lacunaires, qui cr ent des passages reliant les cytoplasmes des cellules adjacentes. Chacun des quatre principaux types de jonctions d'ancrage d pend des prot ines d'adh sion transmembranaire qui s' tendent la membrane plasmique, dont une extr mit est li e au cytosquelette l'int rieur de la cellule et l'autre extr mit d'autres structures l'ext rieur de celle-ci (Figure 19 3). Ces prot ines transmembranaires li es au cytosquelette se r partissent en deux superfamilles, correspondant aux deux types de base d'attachement externe. Les prot ines de la superfamille des cadh rines interviennent principalement dans l'attachement d'une cellule l'autre (film 19.1). Les prot ines de la superfamille des int grines m dient principalement l'attachement des cellules la matrice. Il existe une sp cialisation au sein de chaque famille : certaines cadh rines se lient l'actine et forment des jonctions adh rentes, tandis que d'autres se lient des filaments interm diaires et forment des desmosomes ; de m me, certaines int grines sont li es l'actine et forment des jonctions cellule-matrice li es l'actine, tandis que d'autres se lient des filaments interm diaires et forment des h midesmosomes (Tableau 19 1). Il existe quelques exceptions ces r gles. Certaines int grines, par exemple, interviennent dans l'attachement cellule-cellule plut t que cellule-matrice. De plus, il existe d'autres types de mol cules d'adh sion cellulaire qui peuvent fournir des attaches transitoires entre cellules plus fragiles que les jonctions d'ancrage, mais suffisantes pour coller les cellules ensemble dans des circonstances particuli res. Nous commen ons le chapitre par une discussion sur les principales formes de jonctions cellule-cellule. Nous consid rons ensuite tour tour la matrice extracellulaire des animaux, la structure et la fonction des jonctions cellule-matrice m di es par l'int grine et, enfin, la paroi cellulaire v g tale, une forme particuli re de matrice extracellulaire. Les jonctions cellule-cellule se pr sentent sous de nombreuses formes et peuvent tre r gul es par divers m canismes. Les mieux comprises et les plus courantes sont les deux types de jonctions d'ancrage cellulaire, qui utilisent des cadh rines pour relier le cytosquelette d'une cellule celui de sa voisine. Leur fonction principale est de r sister aux forces externes qui s parent les cellules. Les cellules pith liales de votre peau, par exemple, doivent rester troitement li es lorsqu'elles sont tir es, pinc es ou piqu es. Les jonctions d'ancrage cellule-cellule doivent galement tre dynamiques et adaptables, de sorte qu'elles puissent tre modifi es ou r arrang es lorsque les tissu
Biologie moléculaire de la cellule	s sont remodel s ou r par s, ou lorsqu'il y a des changements dans les forces qui agissent sur eux. Dans cette section, nous nous concentrons principalement sur les jonctions d'ancrage base de cadh rine. Nous d crivons ensuite bri vement les jonctions serr es et les jonctions lacunaires. Enfin, nous consid rons les m canismes d'adh sion cellule-cellule plus transitoires employ s par certaines cellules de la circulation sanguine. Les cadh rines forment une famille diversifi e de mol cules d'adh sion Les cadh rines sont pr sentes chez tous les animaux multicellulaires dont les g nomes ont t analys s. Ils sont galement pr sents dans les choanoflagell s, qui peuvent exister soit en tant qu'organismes unicellulaires libres, soit en tant que colonies multicellulaires et sont consid r s comme des repr sentants du groupe de protistes partir duquel tous les animaux ont volu . D'autres eucaryotes, y compris les champignons et les plantes, manquent de cadh rines, et elles sont galement absentes des bact ries et des arch es. Les cadh rines semblent donc faire partie de l'essence de ce que c'est que d' tre un animal. Les cadh rines tirent leur nom de leur d pendance aux ions Ca2+ : l' limination du Ca2+ du milieu extracellulaire provoque la s paration des adh rences m di es par les cadh rines. Les trois premi res cadh rines avoir t d couvertes ont t nomm es d'apr s les principaux tissus dans lesquels elles ont t trouv es : l'E-cadh rine est pr sente sur de nombreux types de cellules pith liales ; N-cadh rine sur les cellules nerveuses, musculaires et du cristallin ; et la P-cadh rine sur les cellules du placenta et de l' piderme. Tous se trouvent galement dans d'autres tissus. Celles-ci et d'autres cadh rines classiques sont troitement li es en s quence dans leurs domaines extracellulaires et intracellulaires. Il existe galement un grand nombre de cadh rines non classiques qui sont plus loign es dans la s quence, avec plus de 50 exprim es dans le cerveau seul. Les cadh rines non classiques comprennent des prot ines dont la fonction adh sive est connue, telles que les diverses protocadh rines pr sentes dans le cerveau, ainsi que les desmocollines et les desmogl ines qui forment les desmosomes (voir tableau 19-1). D'autres membres de la famille sont principalement impliqu s dans la signalisation. Ensemble, les prot ines cadh rines classiques et non classiques constituent la superfamille des cadh rines (Figure 19-4), avec plus de 180 membres chez l'homme. Les jonctions d'ancrage entre les cellules sont g n ralement sym triques : si la liaison est l'actine dans la cellule d'un c t de la jonction, ce sera l'actine dans la cellule de l'autre c t . En fait, la liaison entre les cadh rines est g n ralement homophile (comme a, Figure 19-5) : les mol cules de cadh rine d'un sous-type sp cifique sur une cellule se lient aux mol cules de cadh rine du m me sous-type ou d'un sous-type troitement apparent sur les cellules adjacentes. L'espacement entre les membranes cellulaires au niveau d'une jonction d'ancrage est d fini avec pr cision et d pend de la structure des mol cules de cadh rine participantes. Tous les membres de la superfamille, par d finition, ont une partie extracellulaire constitu e de plusieurs copies du domaine de la cadh rine extracellulaire (EC). La liaison homophile se produit aux extr mit s N-terminales des mol cules de cadh rine, les domaines de la cadh rine qui se trouvent le plus loin de la membrane. Ces domaines terminaux forment chacun un bouton et une poche voisine, et les mol cules de cadh rine d passant des membranes cellulaires oppos es se lient par insertion du bouton d'un domaine dans la poche de l'autre (Figure 19 6A). Chaque domaine de cadh rine forme une unit plus ou moins rigide, reli e au domaine de cadh rine suivant par une charni re. Les ions Ca2+ se lient aux sites proches de chaque charni re et l'emp chent de fl chir, de sorte que toute la cha ne de domaines de la cadh rine se comporte comme une tige rigide et l g rement incurv e. Lorsque le Ca2+ est retir , les charni res peuvent fl chir et la structure devient molle (Figure 19 6B). Dans le m me temps, on pense que la conformation l'extr mit N-terminale change l g rement, affaiblissant l'affinit de liaison pour la mol cule de cadh rine correspondante sur la cellule oppos e. Contrairement aux r cepteurs des mol cules de signal solubles, qui se lient leur ligand sp cifique avec une affinit lev e, les cadh rines (et la plupart des autres prot ines d'adh sion cellule-cellule) se lient g n ralement leurs partenaires avec une affinit relativement faible. Des attachements forts r sultent de la formation de nombreux liens faibles en parall le. Lorsqu'elles se lient des partenaires d'orientation oppos e sur une autre cellule, les mol cules de cadh rine sont souvent regroup es c te c te avec de nombreuses autres mol cules de cadh rine sur la m me cellule (Figure 19 6C). La force de cette jonction es
Biologie moléculaire de la cellule	t bien sup rieure celle de n'importe quelle liaison intermol culaire individuelle, et pourtant les m canismes de r gulation peuvent facilement d sassembler la jonction en s parant les mol cules s quentiellement, tout comme deux morceaux de tissu peuvent tre fortement reli s par du velcro et pourtant facilement d coll s des c t s. Un principe velcro similaire fonctionne galement au niveau des adh sions cellule-cellule et cellule-matrice form es par d'autres types de prot ines d'adh sion transmembranaire. Figure 19 4 La super-famille des cadh rines. Le diagramme montre une partie de la diversit parmi les membres de la superfamille des cadh rines. Ces prot ines ont toutes des parties extracellulaires contenant de multiples copies du domaine de la cadh rine extracellulaire (ovales verts). Dans les cadh rines classiques des vert br s, il y a 5 de ces domaines, et dans les desmogl nes et les desmocollins, il y en a 4 ou 5, mais certaines cadh rines non classiques en ont plus de 30. Les parties intracellulaires sont plus vari es, refl tant des interactions avec une grande vari t de ligands intracellulaires, y compris des mol cules de signalisation et des prot ines adaptatrices qui relient la cadh rine au cytosquelette. Dans certains cas, comme la t-cadh rine, un domaine transmembranaire n'est pas pr sent et la prot ine est attach e la membrane plasmique par une ancre glycosylphosphatidylinositol (GpI). les motifs de couleurs diff rentes dans Fat, Flamingo et ret repr sentent des domaines conserv s que l'on trouve galement dans d'autres familles de prot ines. Figure 19 5 Liaison homophile ou h t rophile. Les cadh rines en g n ral se lient de mani re homophile ; D'autres mol cules d'adh sion cellulaire, dont nous parlerons plus loin, se lient de mani re h t rophile. R gions de charni re 38,5 nm Ca2+ de la cellule 1 de la cellule 2 membrane < 0,05 mM Ca2+ (B) membrane plasmique de la cellule 1 membrane plasmique de la cellule 2 Figure 19 6 Structure et fonction de la cadh rine. (a) la r gion extracellulaire d'une cadh rine classique contient cinq copies du domaine extracellulaire de la cadh rine (voir Figure 19-4) s par es par des r gions charni res flexibles. Les ions Ca2+ (points rouges) se lient au voisinage de chaque charni re, l'emp chant de fl chir. En cons quence, la r gion extracellulaire forme une structure rigide et incurv e, comme le montre ici. pour g n rer l'adh sion cellule-cellule, le domaine de la cadh rine l'extr mit N-terminale d'une mol cule de cadh rine se lie la N-terminale d'une mol cule de cadh rine sur une autre cellule. la structure a t d termin e par diffraction des rayons X de la r gion extracellulaire de la C-c-cadh rine cristallis e. (B) En l'absence de Ca2+, une flexibilit accrue dans les r gions charni res se traduit par une mol cule plus molle qui n'est plus correctement orient e pour interagir avec une cadh rine sur une autre cellule - et l'adh sion choue. (C) une jonction cellule-cellule typique, un ensemble organis de mol cules de cadh rine fonctionne comme du velcro pour maintenir les cellules ensemble. On pense que les cadh rines sur la m me cellule sont coupl es par des interactions c te c te entre leurs r gions de t te N-terminales, ce qui donne un r seau lin aire comme les cadh rines vertes et vertes claires altern es sur la cellule inf rieure montr es ici. On pense que ces r seaux interagissent avec des r seaux lin aires similaires sur une cellule adjacente (mol cules de cadh rine bleue, cellule sup rieure). Les r seaux lin aires d'une cellule sont perpendiculaires ceux de l'autre cellule, comme l'indiquent les fl ches rouges. Plusieurs r seaux perpendiculaires sur les deux cellules interagissent pour former un tapis serr de prot ines cadh rines. (a, d'apr s t.J. Boggon et al., Science 296:1308-1313, 2002 ; C, d'apr s O.J. Harrison et al. Structure 19:244-256, 2011.) L'adh sion cellule-cellule d pendante de la cadh rine guide l'organisation des tissus en d veloppement Les cadh rines forment des attachements homophiles sp cifiques, ce qui explique pourquoi il y a tant de membres de la famille diff rents. Les cadh rines ne sont pas comme de la colle, ce qui rend les surfaces cellulaires g n ralement collantes. Au contraire, ils interviennent dans une reconnaissance hautement s lective, permettant aux cellules d'un type similaire de se coller ensemble et de rester s par es des autres types de cellules. La s lectivit dans la fa on dont les cellules animales s'associent les unes aux autres a t d montr e pour la premi re fois dans les ann es 1950, bien avant la d couverte des cadh rines, dans des exp riences au cours desquelles des embryons d'amphibiens ont t dissoci s en cellules uniques. Ces cellules ont ensuite t m lang es et laiss es se r associer. Remarquablement, les cellules dissoci es se sont souvent r assembl es en structures ressemblant celles de l'embryon d'origine (Figure 19-7). Ces exp riences, ainsi que de nombreuses exp
Biologie moléculaire de la cellule	riences plus r centes, r v lent que les syst mes de reconnaissance s lective de cellule cellule font adh rer pr f rentiellement les cellules d'un m me tissu diff renci les unes aux autres. Figure 19 7 Tri. Les cellules des diff rentes couches d'un embryon d'amphibien pr coce seront tri es en fonction de leurs origines. Dans l'exp rience classique pr sent e ici, les cellules du m soderme (en vert), les cellules de la plaque neurale (en bleu) et les cellules de l' piderme (en rouge) ont t d sagr g es puis r agr g es dans un m lange al atoire. Ils se rangent dans un arrangement rappelant un embryon normal, avec un tube neural l'int rieur, un piderme l'ext rieur et un m soderme entre les deux. (Modifi de p.L. townes et J. holtfreter, J. Exp. Zool. 128:53-120, 1955. Avec la permission de Wiley-Liss.) Les cadh rines jouent un r le crucial dans ces processus de tri cellulaire au cours du d veloppement. L'apparition et la disparition de cadh rines sp cifiques sont en corr lation avec les tapes du d veloppement embryonnaire o les cellules se regroupent et modifient leurs contacts pour cr er de nouvelles structures tissulaires. Chez l'embryon de vert br , par exemple, des changements dans l'expression de la cadh rine sont observ s lorsque le tube neural se forme et se d tache de l'ectoderme sus-jacent : les cellules du tube neural perdent de l'E-cadh rine et acqui rent d'autres cadh rines, y compris la N-cadh rine, tandis que les cellules de l'ectoderme sus-jacent continuent d'exprimer l'E-cadh rine (Figure 19-8A et B). Ensuite, lorsque les cellules de la cr te neurale migrent loin du tube neural, ces cadh rines deviennent peine d tectables, et une autre cadh rine (cadh rine 7) appara t qui aide maintenir les cellules migratrices ensemble en tant que groupes de cellules faiblement associ s (Figure 19-8C). Enfin, lorsque les cellules s'agr gent pour former un ganglion, elles activent nouveau l'expression de la N-cadh rine. Si la N-cadh rine est artificiellement surexprim e dans les cellules mergentes de la cr te neurale, les cellules ne parviennent pas s' chapper du tube neural. Des tudes sur des cellules cultiv es soutiennent l'id e que la liaison homophile des cadh rines contr le ces processus de s gr gation tissulaire. Dans une lign e de fibroblastes cultiv s appel s cellules L, par exemple, les cadh rines ne sont pas exprim es et les cellules n'adh rent pas les unes aux autres. Lorsque ces cellules sont transfect es avec de l'ADN codant pour l'E-cadh rine, les E-cadh rines d'une cellule se lient aux E-cadh rines d'une autre, ce qui entra ne une adh sion cellule-cellule. Si les cellules L exprimant diff rentes cadh rines sont m lang es, elles se trient et s'agr gent s par ment, ce qui indique que diff rentes cadh rines se lient pr f rentiellement leur propre type (Figure 19 9A), imitant ce qui se passe lorsque des cellules d riv es de tissus exprimant diff rentes cadh rines sont m lang es. Une s gr gation similaire des cellules se produit si des cellules L exprimant des quantit s diff rentes de la m me cadh rine sont m lang es (Figure 19-9B). Il semble donc probable que les diff rences qualitatives et quantitatives dans l'expression des cadh rines aient un r le dans l'organisation des tissus. Figure 19 8 volution des mod les d'expression de la cadh rine au cours de la construction du syst me nerveux des vert br s. La figure montre des coupes transversales de l'embryon de poussin pr coce, lorsque le tube neural se d tache de l'ectoderme, puis lorsque les cellules de la cr te neurale se d tachent du tube neural. (a, B) Micrographies d'immunofluorescence montrant le tube neural en d veloppement marqu avec des anticorps contre (a) l'E-cadh rine (bleu) et (B) la N-cadh rine (jaune). (C) mesure que les mod les d'expression des g nes changent, les diff rents groupes de cellules se s parent les uns des autres en fonction des cadh rines qu'ils expriment. (Micrographies avec l'aimable autorisation de Miwako Nomura et Masatoshi Takeichi.) cellule exprimant un taux lev d'E-cadh rine Cellule exprimant un faible niveau d'E-cadh rine (B) Figure 19 9 Tri des cellules d pendantes de la cadh rine. Les cellules en culture peuvent se trier en fonction du type et du niveau de cadh rines qu'elles expriment. Cela peut tre visualis en tiquetant diff rentes populations de cellules avec des colorants de diff rentes couleurs. (a) Les cellules exprimant la N-cadh rine se s parent des cellules exprimant la E-cadh rine. (B) Les cellules exprimant des niveaux lev s d'E-cadh rine sont tri es des cellules exprimant de faibles niveaux d'E-cadh rine. Les cellules exprimant des niveaux lev s adh rent plus fortement et se retrouvent en interne. Les transitions pith liales-m senchymateuses d pendent du contr le des cadh rines L'assemblage des cellules en un pith lium est un processus r versible. En activant l'expression des mol cules d'adh sion, les cellules m senchymateuses dispers es et non attach es
Biologie moléculaire de la cellule	, telles que les fibroblastes, peuvent se rassembler pour former un pith lium. l'inverse, les cellules pith liales peuvent changer de caract re, se d sassembler et migrer loin de leur pith lium parent en tant que cellules distinctes. De telles transitions pith liales-m senchymateuses jouent un r le important dans le d veloppement embryonnaire normal ; L'origine de la cr te neurale en est un exemple. Ces transitions d pendent en partie de prot ines r gulatrices de transcription appel es Slug, Snail et Twist. L'expression accrue de Twist, par exemple, convertit les cellules pith liales en un caract re m senchymateux, et le d sactiver fait le contraire. Twist exerce ses effets, en partie, en inhibant l'expression des cadh rines, y compris la E-cadh rine, qui maintiennent les cellules pith liales ensemble. Les transitions pith liales-m senchymateuses se produisent galement sous forme d' v nements pathologiques au cours de la vie adulte, dans le cancer. La plupart des cancers prennent naissance dans les pith liums, mais ne deviennent dangereusement susceptibles de se propager, c'est- -dire malins, que lorsque les cellules canc reuses s' chappent de l' pith lium d'origine et envahissent d'autres tissus. Des exp riences avec des cellules canc reuses malignes du sein en culture montrent que le blocage de l'expression de Twist peut reconvertir les cellules vers un caract re non malin. l'inverse, en for ant l'expression de Twist, on peut faire subir aux cellules pith liales normales une transition pith lio-m senchymateuse et se comporter comme des cellules malignes. Les mutations qui perturbent la production ou la fonction de l'E-cadh rine se trouvent souvent dans les cellules canc reuses et on pense qu'elles contribuent les rendre malignes. Les cat nines lient les cadh rines classiques au cytosquelette d'actine Les domaines extracellulaires des cadh rines m dient la liaison homophile aux jonctions adh rentes. Les domaines intracellulaires des cadh rines typiques, y compris toutes les cadh rines classiques et certaines non classiques, interagissent avec les filaments du cytosquelette : l'actine aux jonctions adh rentes et les filaments interm diaires aux desmosomes (voir tableau 19 1). Ces liaisons cytosquelettiques sont essentielles l'adh sion efficace entre les cellules, car les cadh rines d pourvues de leurs domaines cytoplasmiques ne peuvent pas maintenir les cellules ensemble de mani re stable. La liaison des cadh rines au cytosquelette est indirecte et d pend des prot ines adaptatrices qui s'assemblent sur la queue cytoplasmique de la cadh rine. Aux jonctions adh rentes, la queue de la cadh rine se lie deux de ces prot ines : la -cat nine et un parent loign appel p120-cat nine ; Une troisi me prot ine appel e -cat nine interagit avec la -cat nine et recrute une vari t d'autres prot ines pour fournir une liaison dynamique aux filaments d'actine (Figure 19-10). Au niveau des desmosomes, les cadh rines sont li es des filaments interm diaires par d'autres prot ines adaptatrices, y compris une prot ine li e la -cat nine appel e plakoglobine, comme nous le verrons plus loin. Dans leur forme mature, les jonctions adh rentes sont d' normes complexes prot iques contenant des centaines des milliers de mol cules de cadh rine, regroup es en r seaux denses et r guliers qui sont li s du c t extracellulaire par des interactions lat rales entre les domaines de la cadh rine, comme nous l'avons vu pr c demment (voir Figure 19-6C). Du c t cytoplasmique, un r seau complexe de cat nines, de r gulateurs d'actine et de faisceaux d'actine contractiles maintient l'amas de cadh rines ensemble et le relie au cytosquelette d'actine. L'assemblage d'une structure de cette complexit n'est pas une t che simple, et il implique une s quence complexe d' v nements contr l s par les prot ines r gulatrices d'actine discut es au chapitre 16. Les caract ristiques g n rales du processus d'assemblage sont r sum es la figure 19-11. adh re Les jonctions r pondent aux forces g n r es par l'actine Cytosquelette La plupart des jonctions adh rentes sont li es des faisceaux contractiles de filaments d'actine et la myosine II non musculaire. Ces jonctions sont donc soumises des forces de traction g n r es par l'actine attach e. Les forces de traction sont importantes pour l'assemblage et la maintenance des jonctions : la perturbation de l'activit de la myosine, par exemple, entra ne Figure 19 10 Le lien entre les cadh rines classiques et les filaments d'actine. Les cadh rines sont coupl es indirectement aux filaments d'actine par le biais d'un complexe prot ique adaptateur contenant de la p120-cat nine, de la -cat nine et de la -cat nine. D'autres prot ines, y compris la vinculine, s'associent la -cat nine et aident fournir la liaison l'actine. -cat nine a une deuxi me fonction, tr s importante, dans la signalisation intracellulaire, comme nous le verrons au chapitre 15 (voir Figure 15-60). Pour
Biologie moléculaire de la cellule	plus de clart , ce sch ma ne montre pas la cadh rine de la cellule adjacente la jonction. (A) (B) le recrutement de plus (C) d'actine contractile et le d sassemblage de nombreuses jonctions adh rentes. De plus, les forces contractiles agissant sur une jonction dans une cellule sont quilibr es par des forces contractiles la jonction de la cellule oppos e, de sorte qu'aucune cellule n'attire les autres vers elle et perturbe ainsi la distribution uniforme des cellules dans le tissu. Nous ne comprenons pas les m canismes responsables du maintien de cet quilibre. Les jonctions adh rentes semblent sentir les forces qui agissent sur elles et modifient le comportement local de l'actine et de la myosine pour quilibrer les forces des deux c t s de la jonction. La preuve de ces m canismes provient d' tudes de paires de cellules de mammif res en culture reli es par des jonctions adh rentes. Si l'activit contractile dans une cellule est augment e exp rimentalement, les jonctions adh rentes reliant les deux cellules augmentent en taille et l'activit contractile de la deuxi me cellule augmente pour correspondre celle de la premi re, ce qui entra ne un quilibre des forces travers la jonction. Ces exp riences et d'autres sugg rent que les jonctions adh rentes ne sont pas simplement des sites passifs de liaison prot ine-prot ine, mais sont des capteurs de tension dynamiques qui r gulent leur comportement en r ponse des conditions m caniques changeantes. Cette capacit traduire un signal m canique en un changement de comportement jonctionnel est un exemple de m canotransduction. Nous verrons plus loin qu'il est galement important aux jonctions cellule-matrice. On pense que la m canotransduction aux jonctions cellule-cellule d pend, au moins en partie, des prot ines du complexe cadh rine qui modifient leur forme lorsqu'elles sont tir es par la tension. La prot ine -cat nine, par exemple, est tir e d'une conformation repli e une conformation tendue lorsque l'activit contractile augmente la jonction. Le d pliage expose un site de liaison cryptique pour une autre prot ine, la vinculine, qui favorise le recrutement d'une plus grande quantit d'actine la jonction (Figure 19 12). Par de tels m canismes, tirer sur une jonction la rend plus forte. De plus, comme indiqu ci-dessus, tirer sur une jonction dans une cellule augmentera la force contractile g n r e dans la cellule attach e. Dans certains types de cellules, la contractilit de l'actine r duit l'adh sion cellule-cellule, en particulier si des forces importantes sont impliqu es. De grandes forces contractiles bas es sur l'actine pourraient, dans certains tissus, tirer suffisamment fort sur les bords d'une cellule l'autre adh rences pour les s parer, en particulier si la contraction est coupl e des m canismes de r gulation suppl mentaires qui affaiblissent l'adh sion. Ce m canisme pourrait tre important dans certaines formes de remodelage tissulaire au cours du d veloppement, comme nous le d crivons ci-dessous. Le remodelage tissulaire d pend de la coordination de la contraction m di e par l'actine avec l'adh sion cellule-cellule Les jonctions adh rentes sont une partie essentielle de la machinerie pour mod liser les formes des structures multicellulaires dans le corps animal. En liant indirectement les filaments d'actine d'une cellule ceux de ses voisines, ils permettent aux cellules du tissu d'utiliser leurs cytosquelettes d'actine de mani re coordonn e. Les jonctions adh rentes se pr sentent sous diverses formes. Dans de nombreux tissus non pith liaux, ils apparaissent sous la forme de petites attaches ponctu es ou lin aires qui relient le cortex cortical Figure 19 11 Assemblage d'une jonction adh rente. (a) L'assemblage commence lorsque deux pr curseurs de cellules pith liales non attach s explorent leur environnement avec des protub rances membranaires, g n r es par la nucl ation locale des r seaux d'actine. Lorsque les cellules entrent en contact, de petits amas de cadh rine et de cat nine se forment aux sites de contact et s'associent l'actine, conduisant l'activation du petit rac monom re Gtpase (non illustr ), un r gulateur d'actine important (voir Figure 16-85). (B) le rac favorise des protub rances d'actine suppl mentaires dans le voisinage, augmentant la taille de la zone de contact et favorisant ainsi le recrutement suppl mentaire de cadh rines et de leurs prot ines cat nine associ es. (C) Finalement, rac est inactiv et remplac par la Gtpase rho apparent e (non illustr e), qui d place le remodelage de l'actine vers l'assemblage de faisceaux de filaments lin aires et contractiles. rho favorise galement l'assemblage de filaments de myosine II qui s'associent des faisceaux de filaments d'actine pour g n rer une activit contractile. cette activit contractile g n re une tension qui stimule le recrutement d'actine et l'expansion de la jonction, en partie par le biais des m canismes illustr s la figure 19-12.
Biologie moléculaire de la cellule	filaments d'actine sous les membranes plasmiques de deux cellules en interaction. Dans le muscle cardiaque, ils ancrent les faisceaux d'actine de l'appareil contractile et agissent en parall le avec les desmosomes pour lier les cellules contractiles de bout en bout. Mais les exemples prototypiques de jonctions adh rentes se produisent dans les pith liums, o elles forment souvent une ceinture d'adh sion continue (ou zonula adh rente) juste sous la face apicale de l' pith lium, encerclant chacune des cellules en interaction dans la feuille (Figure 19-13). l'int rieur de chaque cellule, un faisceau contractile de filaments d'actine et de myosine II se trouve c t de la ceinture d'adh sion, orient parall lement la membrane plasmique et attach un faisceau de flaments d'actine membranes plasmiques lat rales des cellules pith liales adjacentes Figure 19 12 M canotransduction dans une jonction adh rente. (a) Les jonctions cellule-cellule sont capables de d tecter une tension accrue et de r agir en renfor ant leurs liaisons d'actine. On pense que la d tection de tension d pend en partie de la -cat nine (voir Figure 19-10). (B) Lorsque les filaments d'actine sont tir s de l'int rieur de la cellule par la myosine II non musculaire, la force r sultante d ploie un domaine dans la -cat nine, exposant ainsi un site de liaison autrement cach pour la prot ine adaptatrice vinculine. La vinculine favorise alors le recrutement suppl mentaire d'actine, renfor ant les liens entre la jonction et le cytosquelette. Figure 19 13 Jonctions adh rentes entre les cellules pith liales de l'intestin gr le. Ces cellules sont sp cialis es pour l'absorption des nutriments ; leur sommet, face la lumi re de l'intestin, ils ont de nombreuses microvillosit s (protub rances qui augmentent la surface d'absorption). La jonction adh rente prend la forme d'une ceinture d'adh rence, encerclant chacune des cellules en interaction. Sa caract ristique la plus vidente est un faisceau contractile de filaments d'actine qui longe la surface cytoplasmique de la membrane plasmique jonctionnelle. Les faisceaux de filaments d'actine sont li s par des prot ines intracellulaires aux cadh rines, qui se lient aux cadh rines sur la cellule adjacente. De cette fa on, les faisceaux de filaments d'actine dans les cellules adjacentes sont li s ensemble. Pour plus de clart , ce dessin ne montre pas la plupart des autres jonctions cellule-cellule et cellule-matrice des cellules pith liales (voir Figure 19-2). par les cadh rines et leurs prot ines adaptatrices intracellulaires associ es. Les faisceaux d'actine et de myosine sont ainsi li s, via les cadh rines, un vaste r seau transcellulaire. La contraction coordonn e de ce r seau fournit la force motile pour un processus fondamental de la morphogen se animale : le pliage des feuillets de cellules pith liales en tubes, v sicules et autres structures connexes (Figure 19 14). La coordination de l'adh sion cellule-cellule et de la contractilit de l'actine est magnifiquement illustr e par les r arrangements cellulaires qui se produisent t t dans le d veloppement de la mouche des fruits Drosophila melanogaster. Peu de temps apr s la gastrulation, l' pith lium externe de l'embryon est allong par un processus appel extension de la bande germinale, dans lequel les cellules convergent vers l'int rieur vers l'axe dorsal-ventral et s' tendent le long de l'axe ant rieur-post rieur (Figure 19-15). La contraction d pendante de l'actine le long de fronti res cellulaires sp cifiques est coordonn e avec une perte de jonctions adh rentes sp cifiques pour permettre aux cellules de s'ins rer entre d'autres cellules (un processus appel intercalation), ce qui entra ne un pith lium plus long et plus troit. Les m canismes sous-jacents la perte d'adh sion le long de limites cellulaires sp cifiques ne sont pas clairs, mais ils d pendent en partie de la d gradation accrue de la -cat nine, en raison de sa phosphorylation par une prot ine kinase localis e sp cifiquement ces limites. Les desmosomes sont structurellement similaires aux jonctions adh rentes, mais contiennent des cadh rines sp cialis es qui se lient des filaments interm diaires au lieu de filaments d'actine. Leur fonction principale est d'apporter une r sistance m canique. Les desmosomes sont importants Figure 19 14 Le pliage d'une feuille pith liale pour former un tube pith lial. La contraction orient e des faisceaux de filaments d'actine et de myosine qui courent le long des ceintures d'adh sion provoque le r tr cissement des cellules pith liales leur sommet et aide la feuille pith liale s'enrouler dans un tube. un exemple est la formation du tube neural dans le d veloppement pr coce des vert br s (voir Figure 19-8). Figure 19 15 Remodelage des adh rences cellule-cellule dans l' pith lium embryonnaire de la drosophile. gauche, un groupe de cellules dans l' pith lium externe d'un embryon de drosophile. Lors de l'extension de la band
Biologie moléculaire de la cellule	e germinale, les cellules convergent l'une vers l'autre (au milieu) sur l'axe dorsal-ventral, puis s' tendent ( droite) le long de l'axe ant ro-post rieur. Le r sultat est l'intercalation : des cellules qui taient l'origine loign es le long de l'axe dorsal-ventral (vert fonc ) sont ins r es entre les cellules (vert clair) qui les s paraient. Ces r arrangements d pendent de la r gulation spatiale des faisceaux contractiles d'actine-myosine, qui sont localis s principalement aux limites verticales des cellules (rouge, gauche). La contraction de ces faisceaux s'accompagne de l' limination de l'E-cadh rine (non illustr e) aux m mes limites cellulaires, ce qui entra ne un r tr cissement et une perte d'adh rence le long de l'axe vertical (au milieu). De nouvelles adh rences base de cadh rine (en bleu, droite) se forment ensuite et s' tendent le long des limites horizontales, entra nant une extension des cellules dans la dimension ant rieure-post rieure. 0,5 m 100 nm Figure 19 16 Desmosomes. a) les composants structurels d'un desmosome. Sur la surface cytoplasmique de chaque membrane plasmique en interaction se trouve une plaque dense compos e d'un m lange de prot ines adaptatrices intracellulaires. Un faisceau de filaments interm diaires de k ratine est attach la surface de chaque plaque. Les cadh rines non classiques transmembranaires se lient aux plaques et interagissent par le biais de leurs domaines extracellulaires pour maintenir les membranes adjacentes ensemble. (B) Certains des composants mol culaires d'un desmosome. La desmogl ine et la desmocoline sont des cadh rines non classiques. Leurs queues cytoplasmiques se lient la plakoglobine ( -cat nine) et la plakophiline (un parent loign de la p120-cat nine), qui leur tour se lient la desmoplakine. La desmoplakine se lie aux c t s des filaments interm diaires, liant ainsi le desmosome ces filaments. (C) une micrographie lectronique des jonctions desmosomes entre trois cellules pidermiques dans la peau d'un b b souris. (D) partie du m me tissu un grossissement plus lev , montrant un seul desmosome, avec des filaments interm diaires qui y sont attach s. (C et D, d'apr s W. he, p. Cowin et D.L. Stokes, Science 302:109-113, 2003. Avec l'autorisation de aaaS.) chez les vert br s mais ne se trouvent pas, par exemple, chez la drosophile. Ils sont pr sents dans la plupart des pith liums de vert br s matures et sont particuli rement abondants dans les tissus soumis des niveaux lev s de stress m canique, tels que le muscle cardiaque et l' piderme, l' pith lium qui forme la couche externe de la peau. La figure 19-16A montre la structure g n rale d'un desmosome, et la figure 19-16B montre certaines des prot ines qui le forment. Les desmosomes apparaissent g n ralement comme des points d'adh sion en forme de boutons, rivetant les cellules ensemble (Figure 19 16C). l'int rieur de la cellule, les faisceaux de filaments interm diaires en forme de corde qui sont ancr s aux desmosomes forment un cadre structurel d'une grande r sistance la traction (Figure 19-16D), avec liaison des faisceaux similaires dans les cellules adjacentes, cr ant un r seau qui s' tend dans tout le tissu (Figure 19-17). Le type particulier de filaments interm diaires attach s aux desmosomes d pend du type de cellule : il s'agit de filaments de k ratine dans la plupart des cellules pith liales, par exemple, et de filaments de desmine dans les cellules du muscle cardiaque. L'importance des desmosomes est d montr e par certaines formes de pemphigus, une maladie de peau potentiellement mortelle. Les individus touch s fabriquent des anticorps contre l'une de leurs propres prot ines de cadh rine desmosomales. Ces anticorps se lient aux desmosomes qui maintiennent leurs cellules pidermiques (k ratinocytes) ensemble et les perturbent. Il en r sulte une ampoule s v re de la peau, avec une fuite de fluides corporels dans l' pith lium rel ch . Des feuillets de cellules pith liales entourent et partitionnent le corps de l'animal, tapissant toutes ses surfaces et cavit s, et cr ant des compartiments internes o se produisent des processus sp cialis s. La feuille pith liale semble tre l'une des inventions l'origine de l' volution animale, se diversifiant de multiples fa ons mais conservant une organisation bas e sur un ensemble de m canismes mol culaires conserv s. Essentiellement, tous les pith liums sont ancr s d'autres tissus d'un c t le c t basal et libres d'une telle attache sur leur c t oppos le c t apical. Une lame basale se trouve l'interface avec le tissu sous-jacent, m diant l'attachement, tandis que la surface apicale de l' pith lium est g n ralement baign e par du liquide extracellulaire. Ainsi, tous les pith liums sont structurellement polaris s, tout comme leurs cellules individuelles : l'extr mit basale d'une cellule, adh rente la lame basale inf rieure, diff re de l'extr mit apicale, expos e au milieu sup rieur. En cons que
Biologie moléculaire de la cellule	nce, tous les pith liums ont au moins une fonction en commun : ils servent de barri res de perm abilit s lectives, s parant le liquide qui impr gne le tissu sur leur c t basal du liquide avec une composition chimique diff rente sur leur c t apical. Cette fonction de barri re exige que les cellules adjacentes soient scell es ensemble par des jonctions serr es, de sorte que les mol cules ne puissent pas s' chapper librement travers la feuille cellulaire. L' pith lium de l'intestin gr le illustre bien la structure et la fonction des jonctions serr es (voir la figure 19 2). Cet pith lium a une structure cylindrique simple ; c'est- -dire qu'il se compose d'une seule couche de cellules hautes (colonnaires). Il s'agit de plusieurs types diff renci s, mais la majorit sont des cellules absorbantes, sp cialis es dans l'absorption des nutriments de la cavit interne, ou lumi re, de l'intestin. Les cellules absorbantes doivent transporter des nutriments s lectionn s travers l' pith lium de la lumi re vers le liquide extracellulaire de l'autre c t . De l , ces nutriments se diffusent dans de petits vaisseaux sanguins pour nourrir l'organisme. Ce transport transcellulaire d pend de deux ensembles de prot ines de transport dans la membrane plasmique de la cellule absorbante. Un ensemble est confin la surface apicale de la cellule (face la lumi re) et transporte activement les mol cules s lectionn es dans la cellule partir de l'intestin. L'autre ensemble est confin aux surfaces basolat rales (basale et lat rale) de la cellule, et il permet aux m mes mol cules de quitter la cellule par transport passif dans le liquide extracellulaire de l'autre c t de l' pith lium. Pour que cette activit de transport soit efficace, les espaces entre les cellules pith liales doivent tre herm tiquement ferm s, de sorte que les mol cules transport es ne puissent pas s'infiltrer dans la lumi re intestinale travers ces espaces (Figure 19 18). De plus, les prot ines de transport doivent tre correctement distribu es dans les membranes plasmiques : les transporteurs apicaux doivent tre d livr s l'apex de la cellule et ne doivent pas tre autoris s d river vers la membrane basolat rale, et les transporteurs basolat raux doivent tre livr s et rester dans la membrane basolat rale. Les jonctions serr es, en plus de sceller les espaces entre les cellules, fonctionnent galement comme des cl tures qui aident emp cher les prot ines apicales ou basolat rales de se diffuser dans la mauvaise r gion. La fonction d' tanch it des jonctions serr es est facile d montrer exp rimentalement : un faible poids mol culaire Le traceur ajout un c t d'un pith lium ne passe g n ralement pas au-del de la jonction serr e (Figure 19-19). Ce sceau n'est cependant pas absolu. Bien que toutes les jonctions serr es soient imperm ables aux macromol cules, leur perm abilit aux ions et autres petites mol cules varie. Les jonctions serr es de l' pith lium qui tapisse l'intestin gr le, par exemple, sont 10 000 fois plus perm ables aux ions inorganiques, tels que le Na+, que les jonctions serr es de l' pith lium qui tapisse la vessie. Le mouvement des ions et d'autres mol cules entre les cellules pith liales est appel transport paracellulaire, et les diff rences sp cifiques aux tissus dans les taux de transport r sultent g n ralement de diff rences dans les prot ines qui forment des jonctions serr es. Jonctions serr es Contiennent des brins de prot ines d'adh sion transmembranaire Lorsque les jonctions serr es sont visualis es par microscopie lectronique cong lation-fracture, elles sont consid r es comme un r seau ramifi de brins d' tanch it qui entoure compl tement le Figure 19 17 Desmosomes, h midesmosomes et r seau de filaments interm diaires. Les r seaux de filaments interm diaires de k ratine des cellules adjacentes dans cet exemple, les cellules pith liales de l'intestin gr le sont indirectement connect s les uns aux autres par des desmosomes et la lame basale par des h midesmosomes. membranes plasmiques des cellules adjacentes extr mit apicale de chaque cellule du feuillet pith lial (figures 19-20A et B). Dans les micrographies lectroniques conventionnelles, les feuillets externes des deux membranes plasmiques en interaction sont troitement appos s l o des brins d' tanch it sont pr sents (Figure 19-20C). Chaque brin d' tanch it est compos d'une longue rang e de prot ines d'adh sion homophiles transmembranaires int gr es dans chacune des deux membranes plasmiques en interaction. Les domaines extracellulaires de ces prot ines adh rent directement les uns aux autres pour obstruer l'espace intercellulaire (Figure 19 21). Les principales prot ines transmembranaires formant ces brins sont les claudines, qui sont essentielles la formation et la fonction des jonctions serr es. Les souris qui n'ont pas le g ne claudin-1, par exemple, ne parviennent pas faire des jonctions serr es entre les cellules de la
Biologie moléculaire de la cellule	couche pidermique de la peau ; En cons quence, les b b s souris perdent de l'eau rapidement par vaporation travers la peau et meurent dans la journ e suivant la naissance. l'inverse, si des cellules non pith liales telles que les fibroblastes sont amen es artificiellement exprimer des g nes claudines, elles (A) (B) 0,5 m 0,5 m Figure 19 18 Le r le des jonctions serr es dans le transport transcellulaire. Pour plus de clart , seules les jonctions serr es sont repr sent es. Les prot ines de transport sont confin es diff rentes r gions de la membrane plasmique dans les cellules pith liales de l'intestin gr le. Cette s gr gation permet un transfert vectoriel de nutriments travers l' pith lium, de la lumi re intestinale au sang. Dans l'exemple pr sent , le glucose est activement transport dans la cellule par des transporteurs de glucose pilot s par Na+ sa surface apicale, et il quitte la cellule par des transporteurs passifs de glucose dans sa membrane basolat rale. On pense que les jonctions serr es confinent les prot ines de transport leurs domaines membranaires appropri s en agissant comme des barri res de diffusion, ou cl tures , l'int rieur de la bicouche lipidique de la membrane plasmique ; ces jonctions bloquent galement le reflux du glucose de la face basale de l' pith lium dans la lumi re intestinale (voir vid o 11.2). Figure 19 19 Le r le des jonctions serr es pour permettre aux pith liums de servir de barri res la diffusion des solut s. (a) Le dessin montre comment une petite mol cule traceur extracellulaire ajout e d'un c t d'un pith lium est emp ch e de traverser l' pith lium par les jonctions serr es qui scellent les cellules adjacentes ensemble. Les jonctions adh rentes et autres jonctions cellulaires ne sont pas affich es pour plus de clart . (B) Micrographies lectroniques de cellules d'un pith lium dans lesquelles une petite mol cule traceur extracellulaire et dense en lectrons a t ajout e soit la face apicale ( gauche), soit la face basolat rale ( droite). La jonction serr e bloque le passage du traceur dans les deux sens. (B, avec l'aimable autorisation de Daniel Friend.) (A) plasmacr tes lat rales de la connexion focale transmembranaire connexion focale membrane plasmique 50 nm0,5 m lumi re intestinalemicrovillosit s (C)(B) jonction serr cellule 1 cellule 2 Figure 19 20 Structure d'une jonction serr e entre les cellules pith liales de l'intestin gr le. les jonctions sont repr sent es (a) sch matiquement, (B) dans une micrographie lectronique cong lation-fracture et (C) dans une micrographie lectronique conventionnelle. Dans (B), le plan de la micrographie est parall le au plan de la membrane, et la jonction serr e appara t comme une bande de brins d' tanch it ramifi s qui entourent chaque cellule de l' pith lium (voir Figure 19-21a). En (C), la jonction est vue en coupe efficace comme une s rie de connexions focales entre les folioles externes des deux membranes plasmiques en interaction, chaque connexion correspondant un brin d' tanch it en section transversale. (B et C, d'apr s N.B. Gilula, dans Cell Communication [r.p. Cox, d.], pp. 1-29. New York : Wiley, 1974.) formeront des connexions jonctionnelles serr es les unes avec les autres. Les jonctions serr es normales contiennent galement une deuxi me prot ine transmembranaire majeure appel e occludine, qui n'est pas essentielle l'assemblage ou la structure de la jonction serr e, mais qui est importante pour limiter la perm abilit jonctionnelle. Une troisi me prot ine transmembranaire, la tricelluline, est n cessaire pour sceller les membranes cellulaires et emp cher les fuites trans pith liales aux points de rencontre de trois cellules. La famille des prot ines claudines compte de nombreux membres (24 chez l'homme), et ceux-ci s'expriment dans diff rentes combinaisons dans diff rents pith liums pour conf rer des propri t s de perm abilit particuli res la feuille pith liale. On pense qu'ils forment des pores paracellulaires, des canaux s lectifs permettant des ions sp cifiques de traverser la barri re de jonction troite, d'un espace extracellulaire un autre. Une claudine sp cifique pr sente dans les cellules pith liales r nales, par exemple, est n cessaire pour laisser passer Mg2+ entre les cellules des tubules r naux afin que cet ion puisse tre r sorb de l'urine dans le sang. Une mutation dans le g ne codant pour cette claudine entra ne une perte excessive de Mg2+ dans l'urine. Comme les mol cules de cadh rine d'une jonction adh rente, les claudines et les occludines d'une jonction serr e interagissent les unes avec les autres sur leurs c t s extracellulaires pour favoriser l'assemblage de la jonction. De plus, comme dans les jonctions adh rentes, l'organisation des prot ines d'adh sion dans une jonction serr e d pend de prot ines suppl mentaires qui se lient au c t cytoplasmique des prot ines d'adh sion. Les prot ines organisationnelles cl s aux jonctions serr e
Biologie moléculaire de la cellule	s sont les prot ines de la zonula occludens (ZO). Les trois principaux membres de la famille ZO, ZO-1, ZO-2 et ZO-3, sont de grandes prot ines d' chafaudage qui fournissent un support structurel sur lequel la jonction serr e est construite. Ces mol cules intracellulaires sont constitu es de cha nes de domaines de liaison aux prot ines, comprenant g n ralement plusieurs domaines PDZ des segments d'environ 80 acides amin s de long qui peuvent reconna tre et lier les queues C-terminales de prot ines partenaires sp cifiques (Figure 19 22). Un domaine de ces prot ines d' chafaudage peut se fixer une prot ine claudine, tandis que d'autres peuvent se fixer l'occludine ou au cytosquelette d'actine. De plus, une mol cule de prot ine d' chafaudage peut se lier une autre. De cette fa on, la cellule peut assembler un tapis de prot ines intracellulaires qui organise et positionne les brins d' tanch it de la jonction serr e. Le r seau de jonctions serr es de brins d' tanch it se trouve g n ralement juste l'apicale des jonctions adh rentes et desmosomes qui lient les cellules entre elles m caniquement ; l'ensemble est appel un complexe jonctionnel (voir Figure 19-2). Les parties de ce complexe jonctionnel d pendent les unes des autres pour leur formation. Par exemple, les anticorps anticadh rine qui bloquent la formation de jonctions adh rentes bloquent galement la formation de jonctions serr es. Des jonctions serr es bloquent les passages travers les espaces entre les cellules pith liales, emp chant les mol cules extracellulaires de s' chapper d'un c t l'autre d'un pith lium. Un autre type de structure jonctionnelle a une fonction radicalement diff rente : elle comble les espaces entre les cellules adjacentes de mani re cr er des canaux directs partir de la Figure 19 21 Mod le d'une jonction serr e. a) Les brins d' tanch it maintiennent ensemble les membranes plasmiques adjacentes. Les brins sont compos s de prot ines transmembranaires qui entrent en contact dans l'espace intercellulaire et cr ent un sceau. (B) la composition mol culaire d'un brin d' tanch it . Les principaux composants extracellulaires de la jonction serr e sont membres d'une famille de prot ines quatre domaines transmembranaires. L'une de ces prot ines, la claudine, est la plus importante pour l'assemblage et la structure des brins d' talement, tandis que la prot ine apparent e L'occludine a le r le moins critique de d terminer la perm abilit des jonctions. les deux extr mit s de ces prot ines se trouvent toutes deux du c t cytoplasmique de la membrane, o elles interagissent avec de grandes prot ines d' chafaudage qui organisent les brins d' tanch it et relient la jonction serr e au cytosquelette d'actine (non illustr ici, mais voir Figure 19-22). Figure 19 22 Prot ines d' chafaudage la jonction serr e. les prot ines d' chafaudage ZO-1, ZO-2 et ZO-3 sont concentr es sous la membrane plasmique des jonctions serr es. Chacune des prot ines contient plusieurs domaines de liaison aux prot ines, y compris trois domaines pDZ, un domaine Sh3 et un domaine GK, li s entre eux comme des billes sur une cha ne flexible. Ces domaines permettent aux prot ines d'interagir entre elles et avec de nombreux autres partenaires, comme indiqu ici, pour g n rer un r seau prot ique troitement tiss qui organise les brins de scellement de la jonction serr e et les relie au cytosquelette d'actine. Les prot ines d' chafaudage de structure similaire aident organiser d'autres complexes jonctionnels, y compris ceux des synapses neurales. cytoplasme de l'un celui de l'autre. Ces canaux sont appel s jonctions lacunaires. Les jonctions lacunaires sont pr sentes dans la plupart des tissus animaux, y compris les tissus conjonctifs ainsi que les pith liums et le muscle cardiaque. Chaque jonction lacunaire appara t dans les micrographies lectroniques conventionnelles sous la forme d'une tache o les membranes de deux cellules adjacentes sont s par es par un espace troit et uniforme d'environ 2 4 nm (Figure 19-23). L'espace est enjamb par des prot ines formant des canaux, dont il existe deux familles distinctes, appel es connexines et innexines. Les connexines sont les prot ines de jonction lacunaire pr dominantes chez les vert br s, avec 21 isoformes chez l'homme. Les innexines se trouvent dans les jonctions lacunaires des invert br s. Les jonctions lacunaires ont une taille de pores d'environ 1,4 nm, ce qui permet l' change d'ions inorganiques et d'autres petites mol cules solubles dans l'eau, mais pas de macromol cules telles que les prot ines ou les acides nucl iques (Figure 19 24). Un courant lectrique inject dans une cellule travers une micro lectrode provoque une perturbation lectrique dans la cellule voisine, en raison du flux d'ions transportant la charge lectrique travers les jonctions lacunaires. Ce couplage lectrique via des jonctions lacunaires sert un objectif vident dans les tissus contenant des cellules lec
Biologie moléculaire de la cellule	triquement excitables : les potentiels d'action peuvent se propager rapidement d'une cellule l'autre, sans le retard qui se produit au niveau des synapses chimiques. Chez les vert br s, par exemple, le couplage lectrique par des jonctions lacunaires synchronise les contractions des cellules du muscle cardiaque ainsi que celles des cellules musculaires lisses responsables des mouvements p ristaltiques de l'intestin. Les jonctions lacunaires se produisent galement dans de nombreux tissus dont les cellules ne sont pas lectriquement excitables. En principe, le partage de petits m tabolites et d'ions fournit un m canisme pour coordonner les activit s des cellules individuelles dans de tels tissus et pour lisser les fluctuations al atoires des concentrations de petites mol cules dans diff rentes cellules. Un connexon jonction lacunaire est constitu de six sous-unit s de connexin transmembranaires Les connexines sont des prot ines transmembranaires quatre passes, dont six s'assemblent pour former un h micanal, ou connexon. Lorsque les connexons des membranes plasmiques de deux cellules en contact sont align s, ils forment un canal aqueux continu qui relie l'int rieur des deux cellules (Figure 19 25). Une jonction lacunaire se compose de nombreuses paires de connexons en parall le, formant une sorte de tamis mol culaire. Non seulement ce tamis fournit un canal de communication entre les cellules, mais il fournit galement une forme d'adh sion cellule-cellule qui compl te les adh sions m di es par la cadh rine et la claudine dont nous avons parl pr c demment. Figure 19 23 Jonctions lacunaires vues au microscope lectronique. (a) micrographies lectroniques en lame mince et (B) micrographies lectroniques par cong lation-fracture d'une grande et d'une petite plaque de jonction lacunaire entre des fibroblastes en culture. En (B), chaque jonction lacunaire est vue comme un amas de particules intramembranaires homog nes. Chaque particule intramembranaire correspond un connexon (voir Figure 19 25). (D'apr s N.B. Gilula, dans Cell Communication [r.p. Cox, d.],pp. 1-29. New York : Wiley, 1974.) MW1001000500020 000 Figure 19 24 D termination de la taille d'un canal de jonction d'espace. Lorsque des mol cules fluorescentes de diff rentes tailles sont inject es dans l'une des deux cellules coupl es par des jonctions lacunaires, les mol cules dont le poids mol culaire (MW) est inf rieur environ 1000 daltons peuvent passer dans l'autre cellule, mais pas les mol cules plus grosses. ainsi, les cellules coupl es partagent leurs petites mol cules (telles que les ions inorganiques, les sucres, les acides amin s, les nucl otides, les vitamines et les mol cules de signalisation intracellulaire cycliques aMp et inositol trisphosphate) mais pas leurs macromol cules (prot ines, acides nucl iques et polysaccharides). 1,5 nm de diam tre (C) 1,4 nm Les jonctions lacunaires dans diff rents tissus peuvent avoir des propri t s diff rentes car elles sont form es partir de diff rentes combinaisons de connexines, cr ant des canaux dont la perm abilit et la r gulation diff rent. La plupart des types cellulaires expriment plus d'un type de connexine, et deux prot ines de connexine diff rentes peuvent s'assembler en un connexon h t rom rique, avec ses propres propri t s distinctes. De plus, les cellules adjacentes exprimant des connexines diff rentes peuvent former des canaux intercellulaires dans lesquels les deux demi-canaux align s sont diff rents (voir Figure 19-25B). Comme les canaux ioniques conventionnels (discut s au chapitre 11), les canaux de jonction interstices individuels ne restent pas ouverts tout le temps ; Au lieu de cela, ils basculent entre les tats ouvert et ferm . Ces changements sont d clench s par une vari t de stimuli, notamment la diff rence de tension entre les deux cellules connect es, le potentiel membranaire de chaque cellule et diverses propri t s chimiques du cytoplasme, y compris le pH et la concentration de Ca2+ libre. Certains sous-types de jonctions lacunaires peuvent galement tre r gul s par des signaux extracellulaires tels que les neurotransmetteurs. Nous commen ons peine comprendre les fonctions physiologiques et les bases structurelles de ces diff rents m canismes de gating. Chaque plaque jonctionnelle lacunaire est une structure dynamique qui peut facilement s'assembler, se d sassembler ou tre remodel e, et elle peut contenir un groupe de quelques plusieurs milliers de connexons (voir Figure 19-23B). Des tudes avec des connexines marqu es par fluorescence dans des cellules vivantes montrent que de nouveaux connexons sont continuellement ajout s autour de la p riph rie d'une plaque jonctionnelle existante, tandis que les anciens connexons sont retir s du milieu de celle-ci et d truits (Figure 19-26). Ce renouvellement est rapide : les mol cules de connexine ont une demi-vie de seulement quelques heures. Le m canisme d' limination des anciens connexons du milieu de la pl
Biologie moléculaire de la cellule	aque n'est pas connu, mais la voie de livraison des nouveaux connexons sa p riph rie semble claire : ils sont ins r s dans la membrane plasmique par exocytose, comme d'autres prot ines membranaires int grales, puis diffusent dans le plan de la membrane jusqu' ce qu'ils heurtent la p riph rie d'une plaque de c ne et se coincent. Cela a un corollaire : la membrane plasmique loign e de la jonction lacunaire devrait contenir des connexons des h micanaux qui n'ont pas encore t appari s leurs homologues sur une autre cellule. On pense que ces h micanaux non appari s sont normalement maintenus dans une conformation ferm e, emp chant la cellule de perdre ses petites mol cules en Figure 19 25 Jonctions lacunaires. a) un dessin des membranes plasmiques en interaction de deux cellules adjacentes reli es par des jonctions lacunaires. Chaque bicouche lipidique est repr sent e par une paire de feuilles rouges. Des assemblages prot iques appel s connexons (verts), dont chacun est form de six sous-unit s de connexine, p n trent dans les bicouches lipidiques appos es. Deux connexons se rejoignent travers l'espace intercellulaire pour former un canal aqueux continu reliant les deux cellules. (B) l'organisation des connexines en connexons, et des connexons en canaux intercellulaires. Les connexons peuvent tre homom res ou h t rom riques, et les canaux intercellulaires peuvent tre homotypiques ou h t rotypiques. (C) la structure haute r solution d'un canal de jonction lacunaire homom rique, d termin e par cristallographie aux rayons X de la connexine humaine 26. Dans cette vue, nous regardons vers le bas le pore, form de six sous-unit s de connexine. la structure illustre les caract ristiques g n rales du canal et sugg re une taille de pore d'environ 1,4 nm, comme pr dit par des tudes de perm abilit des jonctions lacunaires avec des mol cules de diff rentes tailles (voir Figure 19-24). (Code pDB : 2ZW3.) Figure 19 26 Rotation du Connexin une jonction d'espace. Les cellules ont t transfect es avec une connexine l g rement modifi e g ne, codant pour une connexine avec une courte tiquette d'acide amin contenant quatre cyst ines dans la s quence Cys-Cys- X-X-Cys-Cys (o X d signe un acide amin arbitraire). Cette tiquette de t tracyst ine peut se lier fortement certaines petites mol cules de colorant fluorescent, qui peuvent tre ajout es au milieu de culture et p n trent facilement dans les cellules en se diffusant travers la membrane plasmique. Dans l'exp rience montr e, un colorant vert a d'abord t ajout pour marquer toutes les mol cules de connexine dans les cellules, puis les cellules ont t lav es et incub es pendant 4 ou 8 heures. la fin de cette p riode, un colorant rouge a t ajout au milieu et les cellules ont t lav es nouveau et fix es. Les mol cules de connexine d j pr sentes au d but de l'exp rience sont tiquet es vertes (et ne prennent pas de colorant rouge car leurs tiquettes de t tracyst ine sont d j satur es de colorant vert), tandis que les connexines synth tis es par la suite, pendant l'incubation de 4 ou 8 heures, sont tiquet es rouges. Les images de fluorescence montrent des jonctions lacunaires entre des paires de cellules trait es de cette mani re. La partie centrale de la plaque de jonction lacunaire est verte, indiquant qu'elle est constitu e d'anciennes mol cules de connexine, tandis que la p riph rie est rouge, indiquant qu'elle est constitu e de connexines synth tis es au cours des 4 ou 8 heures pr c dentes. Plus le temps d'incubation est long, plus la tache centrale verte des anciennes mol cules est petite et plus l'anneau p riph rique des nouvelles mol cules qui ont t recrut es pour remplacer les anciennes est grand. (D'apr s G. Gaietta et al., Science 296:503-507, 2002. Avec l'autorisation de aaaS.) fuite travers eux. Mais il existe galement des preuves que, dans certaines circonstances, ils peuvent s'ouvrir et servir de canaux pour la lib ration de petites mol cules de signal. Chez les plantes, les plasmodesmes remplissent bon nombre des m mes fonctions que les jonctions lacunaires Les tissus d'une plante sont organis s selon des principes diff rents de ceux d'un animal. En effet, les cellules v g tales sont emprisonn es dans des parois cellulaires dures compos es d'une matrice extracellulaire riche en cellulose et autres polysaccharides, comme nous le verrons plus loin. Les parois cellulaires des cellules adjacentes sont fermement ciment es celles de leurs voisines, ce qui limine le besoin de jonctions d'ancrage pour maintenir les cellules en place. Mais la n cessit d'une communication directe entre cellules demeure. Ainsi, les cellules v g tales n'ont qu'une seule classe de jonctions intercellulaires, les plasmodesmes. Comme les jonctions lacunaires, elles relient directement les cytoplasmes des cellules adjacentes. Chez les plantes, la paroi cellulaire entre une paire typique de cellules adjacentes a une paisseur d'au moins 0,1 m,
Biologie moléculaire de la cellule	et une structure tr s diff rente d'une jonction lacunaire est donc n cessaire pour assurer la communication travers celle-ci. Les plasmodesmes r solvent le probl me. quelques exceptions pr s, chaque cellule vivante d'une plante sup rieure est reli e ses voisines vivantes par ces structures, qui forment de fins canaux cytoplasmiques travers les parois cellulaires interm diaires. Comme le montre la figure 19-27A, la membrane plasmique d'une cellule est continue avec celle de sa voisine chaque plasmodesma, qui relie les cytoplasmes des deux cellules par un canal peu pr s cylindrique d'un diam tre de 20 40 nm. Au centre du canal dans la plupart des plasmodesmes se trouve une structure cylindrique plus troite, le desmotubule, qui est continue avec des l ments du r ticulum endoplasmique lisse (RE) dans chacune des cellules connect es (Figure 19-27B-D). Entre l'ext rieur du desmotubule et la face interne du canal cylindrique form par la membrane plasmique se trouve un anneau de cytosol travers lequel de petites mol cules peuvent passer de cellule en cellule. Au fur et mesure que chaque nouvelle paroi cellulaire est assembl e au cours de la phase de cytokin se de la division cellulaire, des plasmodesmes sont cr s l'int rieur de celle-ci. Ils se forment autour d' l ments de RE lisse qui sont pi g s travers la plaque cellulaire en d veloppement (voir le chapitre 17). Ils peuvent galement tre ins r s de novo travers des parois cellulaires pr existantes, o ils se trouvent g n ralement dans des amas denses appel s champs de fosses. Lorsqu'ils ne sont plus n cessaires, les plasmodesmes peuvent tre retir s. Malgr la diff rence radicale de structure entre les plasmodesmes et les jonctions lacunaires, ils semblent fonctionner de mani re remarquablement similaire. Les preuves obtenues par l'injection de mol cules traceurs de diff rentes tailles sugg rent que les plasmodesmes permettent le passage de mol cules d'un poids mol culaire inf rieur environ 800, dont le cytoplasme tapisse la membrane du plasmodesma, reliant deux cellules adjacentes lisse r ticulum endoplasmique desmotubule 100 nm parois cellulaires des cellules v g tales adjacentes Figure 19 27 Plasmodesmes. (a) Les canaux cytoplasmiques des plasmodesmes percent la paroi cellulaire v g tale et relient les cellules d'une plante entre elles. (B) Chaque plasmodesma est tapiss d'une membrane plasmique qui est commun aux deux cellules connect es. Il contient g n ralement aussi une fine structure tubulaire, le desmotubule, d riv e du r ticulum endoplasmique lisse. (C) Micrographie lectronique d'une coupe longitudinale d'un plasmodesma d'une foug re aquatique. La membrane plasmique tapisse le pore et est continue d'une cellule l'autre. Le r ticulum endoplasmique et son association avec le desmotubule central peuvent galement tre observ s. (D) un plasmodesma similaire observ en coupe transversale. (C et D, d'apr s r. Overall, J. Wolfe et B.E.S. Gunning, dans protoplasma 111, pp. 134-150. heidelberg : Springer-Verlag, 1982.) est similaire la coupure du poids mol culaire pour les jonctions lacunaires. Comme pour les jonctions lacunaires, le transport travers les plasmodesmes est r gul . Des exp riences d'injection de colorant, par exemple, montrent qu'il peut y avoir des barri res au mouvement de mol cules m me de faible poids mol culaire entre certaines cellules, ou groupes de cellules, qui sont reli es par des plasmodesmes apparemment normaux ; Les m canismes qui restreignent la communication dans ces cas ne sont pas compris. Les s lectines m dient les adh sions transitoires entre cellules dans la circulation sanguine Nous compl tons maintenant notre aper u des jonctions cellule-cellule et de l'adh sion en d crivant bri vement certains des m canismes d'adh sion les plus sp cialis s utilis s dans certains tissus. En plus de celles que nous avons d j abord es, au moins trois autres super-familles de prot ines d'adh sion cellule-cellule sont importantes : les int grines, les s lectines et les membres de la superfamille des immunoglobulines adh sives (Ig). Nous aborderons les int grines plus en d tail plus loin : leur fonction principale est l'adh sion cellule-matrice, mais quelques-unes d'entre elles m dient l'adh sion cellule-cellule dans des circonstances sp cialis es. La d pendance au Ca2+ fournit un moyen simple de distinguer exp rimentalement ces classes de prot ines d'adh sion. Les s lectines, comme les cadh rines et les int grines, ont besoin de Ca2+ pour leur fonction adh sive ; Ce n'est pas le cas des membres de la superfamille Ig. Les s lectines sont des prot ines de liaison aux glucides la surface des cellules (lectines) qui interviennent dans une vari t d'interactions transitoires d'adh sion cellule-cellule dans la circulation sanguine. Leur r le principal, du moins chez les vert br s, est de r gir le trafic des globules blancs vers les organes lympho des normaux et les tissus enflamm s. Les globules blancs m
Biologie moléculaire de la cellule	nent une vie nomade, errant entre la circulation sanguine et les tissus, ce qui n cessite un comportement adh sif particulier. Les s lectines contr lent la liaison des globules blancs aux cellules endoth liales qui tapissent les vaisseaux sanguins, permettant ainsi aux cellules sanguines de migrer hors de la circulation sanguine vers un tissu. Chaque s lectine est une prot ine transmembranaire avec un domaine de lectine conserv qui se lie un oligosaccharide sp cifique sur une autre cellule (Figure 19 28A). Il en existe au moins trois types : la L-s lectine sur les globules blancs, la P-s lectine sur les plaquettes sanguines et sur les cellules endoth liales qui ont t activ es localement par une r ponse inflammatoire, et la E-s lectine sur les cellules endoth liales activ es. Dans un organe lympho de, tel qu'un ganglion lymphatique (C) de 0,1 m ou la rate, les cellules endoth liales expriment des oligosaccharides qui sont reconnus par la L-s lectine sur les lymphocytes, ce qui fait que les lymphocytes tra nent et se coincent. Aux sites d'inflammation, les r les sont invers s : les cellules endoth liales activent l'expression des s lectines qui reconnaissent les oligosaccharides sur les globules blancs et les plaquettes, signalant les cellules pour aider faire face l'urgence locale. Cependant, les Selectins n'agissent pas seuls ; Ils collaborent avec les int grines, qui renforcent la liaison des cellules sanguines l'endoth lium. Les adh sions intercellulaires m di es la fois par les s lectines et les int grines sont h t rophiles, c'est- -dire que la liaison se fait une mol cule d'un type diff rent : les s lectines se lient des oligosaccharides sp cifiques sur les glycoprot ines et les glycolipides, tandis que les int grines se lient des prot ines sp cifiques de la famille des Ig. Les s lectines et les int grines agissent en s quence pour permettre aux globules blancs de quitter la circulation sanguine et de p n trer dans les tissus (Figure 19-28B). Les s lectines m dient une faible adh sion car la liaison du domaine lectine de la s lectine son ligand glucidique est de faible affinit . Cela permet au globule blanc d'adh rer faiblement et de mani re r versible l'endoth lium, en roulant la surface du vaisseau sanguin, propuls par le flux sanguin. Le roulement se poursuit jusqu' ce que la cellule sanguine active ses int grines. Comme nous le verrons plus loin, ces mol cules transmembranaires peuvent tre transform es en une conformation adh sive qui leur permet de s'accrocher des macromol cules sp cifiques ext rieures la cellule dans le cas pr sent, des prot ines la surface des cellules endoth liales. Une fois qu'il s'est attach de cette mani re, le globule blanc s' chappe de la circulation sanguine dans les tissus en rampant hors du vaisseau sanguin entre les cellules endoth liales adjacentes. Les membres de la superfamille des immunoglobulines m dient l'adh sion cellule-cellule ind pendante du Ca2+ Les principales prot ines des cellules endoth liales qui sont reconnues par les int grines des globules blancs sont appel es ICAM (mol cules d'adh sion cellulaire intercellulaires) ou VCAM (mol cules d'adh sion cellulaire vasculaire). Ils sont membres d'une autre grande et ancienne famille de mol cules de surface cellulaire, la superfamille des immunoglobulines (Ig). Ceux-ci contiennent un ou plusieurs domaines extracellulaires de type Ig qui sont caract ristiques des mol cules d'anticorps. Ils ont de nombreuses fonctions en dehors du syst me immunitaire qui ne sont pas li es aux d fenses immunitaires. Alors que les ICAM et les VCAM sur les cellules endoth liales m dient tous deux la liaison h t rophile aux int grines, de nombreux autres membres de la superfamille des Ig semblent m dier la liaison homophile. Un exemple est la mol cule d'adh sion des cellules neurales (NCAM), qui est exprim e par divers types de cellules, y compris la plupart des cellules nerveuses, et peut prendre diff rentes formes, g n r es par l' pissage alternatif d'un transcrit d'ARN produit partir d'un seul g ne (Figure 19 29). Certaines formes de NCAM ont une port e inhabituellement grande Figure 19 28 La structure et la fonction des s lectines. (a) la structure de la p-s lectine. La s lectine se fixe au cytosquelette d'actine par l'interm diaire de prot ines adaptatrices encore mal caract ris es. (B) comment les s lectines et les int grines m dient les adh sions intercellulaire n cessaires la migration d'un globule blanc de la circulation sanguine vers un tissu. Tout d'abord, les s lectines sur les cellules endoth liales se lient aux oligosaccharides sur le globule blanc, de sorte qu'il se fixe l chement et roule le long de la paroi du vaisseau. puis le globule blanc active une int grine de surface cellulaire appel e LFa1, qui se lie une prot ine appel e ICaM1 (appartenant la superfamille des Ig) sur la membrane de la cellule endoth liale. le globule blanc adh re la paroi du vaisseau, puis
Biologie moléculaire de la cellule	rampe hors du vaisseau par un processus qui n cessite un autre membre de la superfamille des immunoglobulines appel pECaM1 (ou CD31), non montr (Vid o 19.2). EGF, facteur de croissance pidermique. quantit d'acide sialique (avec des cha nes contenant des centaines d'unit s d'acide sialique r p titives). En vertu de leur charge n gative, les longues cha nes d'acide polysialique peuvent interf rer avec l'adh sion cellulaire (parce que les charges similaires se repoussent les unes les autres) ; ainsi, ces formes de NCAM peuvent servir inhiber l'adh sion, plut t qu' la provoquer. Une cellule d'un type donn utilise g n ralement un assortiment de prot ines d'adh sion diff rentes pour interagir avec d'autres cellules, tout comme chaque cellule utilise un assortiment de r cepteurs diff rents pour r pondre aux nombreuses mol cules de signal extracellulaire solubles dans son environnement. Bien que les cadh rines et les membres de la superfamille des Ig soient fr quemment exprim s sur les m mes cellules, les adh sions m di es par les cadh rines sont beaucoup plus fortes et elles sont en grande partie responsables du maintien des cellules ensemble, de la s gr gation des collectifs cellulaires en tissus discrets et du maintien de l'int grit des tissus. Des mol cules telles que NCAM semblent contribuer davantage la mise au point de ces interactions adh sives au cours du d veloppement et de la r g n ration, jouant un r le dans divers ph nom nes adh sifs sp cialis s, tels que celui discut pour les cellules sanguines et les cellules endoth liales. Ainsi, alors que les souris mutantes d pourvues de N-cadh rine meurent t t dans le d veloppement, celles qui n'ont pas de NCAM se d veloppent relativement normalement mais pr sentent de l g res anomalies dans le d veloppement de certains tissus sp cifiques, y compris des parties du syst me nerveux. Dans les pith liums, ainsi que dans certains autres types de tissus, les cellules sont directement attach es les unes aux autres par de fortes adh sions cellules-cellules, m di es par des prot ines transmembranaires appel es cadh rines, qui sont ancr es intracellulairement au cytosquelette. Les cadh rines se lient g n ralement les unes aux autres de mani re homophile : la t te d'une mol cule de cadh rine se lie la t te d'une cadh rine similaire sur une cellule oppos e. Cette s lectivit permet des populations mixtes de cellules de diff rents types de se distinguer les unes des autres en fonction des cadh rines sp cifiques qu'elles expriment, et elle aide contr ler les r arrangements cellulaires au cours du d veloppement. Les cadh rines classiques aux jonctions adh rentes sont li es au cytosquelette d'actine par des prot ines adaptatrices intracellulaires appel es cat nines. Ceux-ci forment un complexe d'ancrage sur la queue intracellulaire de la mol cule de cadh rine, et sont impliqu s non seulement dans l'ancrage physique, mais aussi dans la d tection et la r ponse la tension et d'autres signaux r gulateurs la jonction. Les jonctions serr es scellent les espaces entre les cellules dans les pith liums, cr ant une barri re la diffusion des mol cules travers le feuillet cellulaire et aidant galement s parer les populations de prot ines dans les domaines de la membrane plasmique apicale et basolat rale de la cellule pith liale. Les claudines sont les principales prot ines transmembranaires formant des jonctions lacunaires. Les prot ines d' chafaudage intracellulaires organisent les claudines et autres prot ines jonctionnelles en un r seau prot ique complexe li au cytosquelette d'actine. Figure 19 29 Deux membres de la superfamille Ig des mol cules d'adh sion cellule-cellule. NCaM est exprim sur les neurones et de nombreux autres types de cellules, et m die la liaison homophile. L'ICaM est exprim e sur les cellules endoth liales et certains autres types de cellules et se lie de mani re h t rophile une int grine sur les globules blancs. NCaM et ICaM sont tous deux des glycoprot ines, mais leurs cha nes glucidiques attach es ne sont pas repr sent es. Les cellules de nombreux tissus animaux sont coupl es par des jonctions lacunaires, qui prennent la forme de plaques de c nes group s, qui permettent g n ralement des mol cules inf rieures environ 1000 daltons de passer directement de l'int rieur d'une cellule l'int rieur de la suivante. Les cellules reli es par des jonctions lacunaires partagent un grand nombre de leurs ions inorganiques et d'autres petites mol cules et sont donc coupl es chimiquement et lectriquement. Trois classes suppl mentaires de prot ines d'adh sion transmembranaire m dient une adh sion intercellulaire plus transitoire : les s lectines, les membres de la superfamille des immunoglobulines (Ig) et les int grines. Les s lectines sont exprim es sur les globules blancs, les plaquettes sanguines et les cellules endoth liales ; Ils se lient de mani re h t rophile des groupes glucidiques la surface des cellules, aidant
Biologie moléculaire de la cellule	m dier les interactions adh sives entre ces cellules. Les prot ines de la superfamille Ig jouent galement un r le dans ces interactions, ainsi que dans de nombreux autres processus adh sifs ; Certains d'entre eux sont homophiles, d'autres h t rophiles. Les int grines, bien qu'elles servent principalement attacher les cellules la matrice extracellulaire, peuvent galement m dier l'adh sion cellule-cellule en se liant des prot ines sp cifiques de la superfamille des Ig. Les tissus ne sont pas constitu s uniquement de cellules. Ils contiennent galement un r seau remarquablement complexe et complexe de macromol cules constituant la matrice extracellulaire. Cette matrice est compos e de nombreuses prot ines et polysaccharides diff rents qui sont s cr t s localement et assembl s en un r seau organis en troite association avec les surfaces des cellules qui les produisent. Les classes de macromol cules constituant la matrice extracellulaire dans les diff rents tissus animaux sont globalement similaires, mais les variations dans les quantit s relatives de ces diff rentes classes de mol cules et dans la mani re dont elles sont organis es donnent lieu une tonnante diversit de mat riaux. La matrice peut se calcifier pour former les structures dures comme la pierre de l'os ou des dents, ou elle peut former la substance transparente de la corn e, ou elle peut adopter l'organisation en forme de corde qui donne aux tendons leur norme r sistance la traction. Il forme la gel e d'une m duse. Recouvrant le corps d'un col opt re ou d'un homard, il forme une carapace rigide. De plus, la matrice extracellulaire est plus qu'un chafaudage passif pour fournir un soutien physique. Il joue un r le actif et complexe dans la r gulation du comportement des cellules qui le touchent, l'habitent ou rampent travers ses mailles, influen ant leur survie, leur d veloppement, leur migration, leur prolif ration, leur forme et leur fonction. Dans cette section, nous d crivons les principales caract ristiques de la matrice extracellulaire dans les tissus animaux, en mettant l'accent sur les vert br s. Nous commen ons par un aper u des principales classes de macromol cules dans la matrice, apr s quoi nous nous tournons vers la structure et la fonction de la lame basale, la fine couche de matrice extracellulaire sp cialis e qui se trouve sous toutes les cellules pith liales. Dans les sections qui suivent, nous d crivons ensuite les diff rents types de jonctions cellule-matrice par lesquelles les cellules sont connect es la matrice. La matrice extracellulaire est fabriqu e et orient e par les cellules qui la composent Les macromol cules qui constituent la matrice extracellulaire sont principalement produites localement par les cellules de la matrice. Comme nous le verrons plus loin, ces cellules aident galement organiser la matrice : l'orientation du cytosquelette l'int rieur de la cellule peut contr ler l'orientation de la matrice produite l'ext rieur. Dans la plupart des tissus conjonctifs, les macromol cules matricielles sont s cr t es par des cellules appel es fibroblastes (Figure 19-30). Dans certains types sp cialis s des tissus conjonctifs, tels que le cartilage et l'os, cependant, ils sont s cr t s par des cellules de la famille des fibroblastes qui ont des noms plus sp cifiques : les chondroblastes, par exemple, forment le cartilage et les ost oblastes forment l'os. La matrice extracellulaire est construite partir de trois grandes classes de macromol cules : (1) les glycosaminoglycanes (GAG), qui sont de gros polysaccharides tr s charg s qui sont g n ralement li s de mani re covalente des prot ines sous forme de prot oglycanes ; (2) les prot ines fibreuses, qui sont principalement membres de la famille du collag ne ; et (3) une grande classe de glycoprot ines non collag nes, qui portent des oligosaccharides conventionnels li s l'asparagine (d crits au chapitre 12). Les trois classes de macromol cules ont de nombreux membres et se pr sentent sous une grande vari t de formes et de Figure 19 30 Fibroblastes dans le tissu conjonctif. Cette micrographie lectronique balayage montre du tissu de la corn e d'un rat. La matrice extracellulaire entourant les fibroblastes est ici compos e en grande partie de fibrilles de collag ne. Les glycoprot ines, l'hyaluronane et les prot oglycanes, qui forment normalement un gel hydrat remplissant les interstices du r seau fibreux, ont t limin s par un traitement enzymatique et acide. (Avec l'aimable autorisation de t. Nishida.) tailles (figures 19 31). On pense que les mammif res ont pr s de 300 prot ines matricielles, dont environ 36 prot oglycanes, environ 40 collag nes et plus de 200 glycoprot ines, qui contiennent g n ralement plusieurs sous-domaines et s'auto-associent pour former des multim res. Ajoutez cela le grand nombre de prot ines et d'enzymes associ es la matrice qui peuvent modifier le comportement de la matrice par r ticulation, d gradation
Biologie moléculaire de la cellule	ou autres m canismes, et on commence voir que la matrice est un mat riau presque infiniment variable. Chaque tissu contient son propre m lange unique de composants matriciels, ce qui donne une matrice extracellulaire sp cialis e pour les besoins de ce tissu. Les mol cules de prot oglycanes dans le tissu conjonctif forment g n ralement une substance fondamentale hautement hydrat e, semblable un gel, dans laquelle les collag nes et les glycoprot ines sont int gr s. Le gel polysaccharidique r siste aux forces de compression sur la matrice tout en permettant la diffusion rapide des nutriments, des m tabolites et des hormones entre le sang et les cellules tissulaires. Les fibres de collag ne renforcent et aident organiser la matrice, tandis que d'autres prot ines fibreuses, telles que l' lastine caoutchouteuse, lui conf rent une r silience. Enfin, les nombreuses glycoprot ines matricielles aident les cellules migrer, s'installer et se diff rencier aux endroits appropri s. Les cha nes de glycosaminoglycanes (GaG) occupent de grandes quantit s d'espace et forment des gels hydrat s Les glycosaminoglycanes (GAG) sont des cha nes polysaccharidiques non ramifi es compos es d'unit s disaccharides r p titives. L'un des deux sucres du disaccharide r p titif est toujours un sucre amin (N-ac tylglucosamine ou N-ac tylgalactosamine), qui dans la plupart des cas est sulfat . Le deuxi me sucre est g n ralement un acide uronique (glucuronique ou iduronic). Parce qu'il y a des groupes sulfate ou carboxyle sur la plupart de leurs sucres, les GAG sont tr s charg s n gativement (Figure 19 32). En effet, ce sont les mol cules les plus anioniques produites par les cellules animales. Quatre groupes principaux de GAG se distinguent par leurs sucres, le type de liaison entre les sucres et le nombre et l'emplacement des groupes sulfates : (1) l'hyaluronane, (2) le sulfate de chondro tine et le sulfate de dermatane, (3) le sulfate d'h parane et (4) le sulfate de k ratane. Les cha nes polysaccharidiques sont trop rigides pour se replier en structures globulaires compactes, et elles sont fortement hydrophiles. Ainsi, les GAG ont tendance adopter des conformations tr s tendues qui occupent un volume norme par rapport leur masse (Figure 19-33), et ils forment des gels hydrat s m me de tr s faibles concentrations. Le poids des GAG dans le tissu conjonctif est g n ralement inf rieur 10 % du poids des prot ines, mais les cha nes de GAG remplissent la majeure partie de l'espace extracellulaire. Leur forte densit de charges n gatives attire un nuage de cations, en particulier le Na+, qui sont osmotiquement actifs, provoquant l'aspiration de grandes quantit s d'eau dans la matrice. Cela cr e une pression de gonflement, ou turgescence, qui permet la matrice de r sister aux forces de compression (contrairement aux fibrilles de collag ne, qui r sistent aux forces d' tirement). La matrice cartilagineuse qui tapisse l'articulation du genou, par exemple, peut supporter des pressions de centaines d'atmosph res de cette mani re. Les d fauts de production des GAG peuvent affecter de nombreux syst mes corporels diff rents. Dans une g n tique humaine rare maladie, par exemple, il existe une grave d ficience dans la synth se du disaccharide de sulfate de dermatane. Les personnes touch es ont une petite taille, une apparence pr matur ment vieillie et des d fauts g n ralis s de la peau, des articulations, des muscles et des os. Figure 19 31 Les formes et tailles comparatives de certaines des principales macromol cules de la matrice extracellulaire. les prot ines sont indiqu es en vert et le glycosaminoglycane (GaG) en rouge. Figure 19 32 La s quence disaccharide r p titive d'une cha ne de glycosaminoglycane de sulfate d'h parane (GAG). Ces cha nes peuvent contenir jusqu' 200 unit s de disaccharide, mais sont g n ralement inf rieures la moiti de cette taille. Il existe une forte densit de charges n gatives le long de la cha ne en raison de la pr sence de groupes carboxyle et sulfate. La mol cule est repr sent e ici avec son nombre maximal de groupes sulfates. In vivo, la proportion de groupes sulfat s et non sulfat s est variable. L'h parine a g n ralement une sulfatation de >70 %, tandis que le sulfate d'h parane en a <50 %. L'hyaluronane agit comme un remplisseur d'espace pendant la morphogen se et la r paration des tissus L'hyaluronane ( galement appel acide hyaluronique ou hyaluronate) est le plus simple des GAG (Figure 19 34). Il se compose d'une s quence r p titive r guli re allant jusqu' 25 000 unit s de disaccharides, se trouve en quantit s variables dans tous les tissus et fluides chez les animaux adultes, et est particuli rement abondant dans les embryons pr coces. L'hyaluronane n'est pas un GAG typique car il ne contient pas de sucres sulfat s, toutes ses unit s disaccharides sont identiques, sa longueur de cha ne est norme et il n'est g n ralement pas li de mani re covalente une prot ine de base. De
Biologie moléculaire de la cellule	plus, alors que d'autres GAG sont synth tis s l'int rieur de la cellule et lib r s par exocytose, l'hyaluronane est extrait directement de la surface cellulaire par un complexe enzymatique int gr dans la membrane plasmique. On pense que l'hyaluronane joue un r le dans la r sistance aux forces de compression dans les tissus et les articulations. Il est galement important comme remplissage d'espace pendant le d veloppement embryonnaire, o il peut tre utilis pour forcer un changement de forme d'une structure, car une petite quantit se dilate avec de l'eau pour occuper un grand volume. L'hyaluronane synth tis localement partir de la face basale d'un pith lium peut d former l' pith lium en cr ant un espace libre de cellules en dessous, dans lequel les cellules migrent par la suite. Dans le c ur en d veloppement, par exemple, la synth se de l'acide hyaluronique aide de cette mani re stimuler la formation des valves et des septa qui s parent les cavit s cardiaques. Des processus similaires se produisent dans plusieurs autres organes. Lorsque la migration cellulaire se termine, l'exc s d'hyaluronane est g n ralement d grad par l'enzyme hyaluronidase. L'hyaluronane est galement produit en grande quantit lors de la cicatrisation des plaies, et c'est un constituant important du liquide articulaire, dans lequel il sert de lubrifiant. Les prot oglycanes sont compos s de cha nes GaG li es de mani re covalente une prot ine de base l'exception de l'hyaluronane, tous les GAG sont attach s de mani re covalente aux prot ines sous forme de prot oglycanes, qui sont produits par la plupart des cellules animales. Les ribosomes li s la membrane forment la cha ne polypeptidique, ou prot ine centrale, d'un prot oglycane, qui est ensuite enfil dans la lumi re du r ticulum endoplasmique. Les cha nes polysaccharidiques sont principalement assembl es sur cette prot ine centrale dans l'appareil de Golgi avant d' tre d livr es l'ext rieur de la cellule par exocytose. Tout d'abord, un t trasaccharide de liaison sp cial est attach une cha ne lat rale de s rine sur la prot ine centrale pour servir d'amorce la croissance des polysaccharides ; ensuite, un sucre la fois est ajout par des glycosyltransf rases sp cifiques (Figure 19 35). Bien qu'ils soient encore dans l'appareil de Golgi, de nombreux sucres polym ris s sont modifi s de mani re covalente par une s rie de r actions s quentielles et coordonn es. Les pim risations modifient la configuration des substituants autour des atomes de carbone individuels dans la mol cule de sucre ; Les sulfatations augmentent la charge n gative. Les prot oglycanes se distinguent clairement des autres glycoprot ines par la nature, la quantit et la disposition de leurs cha nes lat rales sucr es. Par d finition, au moins l'une des cha nes lat rales de sucre d'un prot oglycane doit tre un GAG. Alors que les glycoprot ines contiennent g n ralement des cha nes oligosaccharidiques ramifi es relativement courtes qui ne contribuent qu' une petite fraction de leur poids, les prot oglycanes peuvent en contenir autant que de prot ines globulaires (MW 50 000), glycog ne (MW ~400 000), spectrine (MW 460 000), collag ne (MW 290 000) Figure 19 33 Les dimensions et volumes relatifs occup s par diverses macromol cules. Plusieurs prot ines, un granule de glycog ne et une seule mol cule hydrat e d'acide hyaluronique sont repr sent s. Figure 19 34 La s quence disaccharide r p titive dans l'hyaluronane, un GAG relativement simple. Cette mol cule omnipr sente chez les vert br s se compose d'une seule longue cha ne de jusqu' 25 000 monom res de sucre. Notez l'absence de groupes sulfates. 95 % de glucides en poids, principalement sous forme de longues cha nes GAG non ramifi es, chacune contenant g n ralement environ 80 sucres. En principe, les prot oglycanes ont un potentiel d'h t rog n it presque illimit e. M me un seul type de prot ine de base peut porter des nombres et des types tr s variables de cha nes GAG attach es. De plus, la s quence r p titive sous-jacente des disaccharides dans chaque GAG peut tre modifi e par un motif complexe de groupes sulfates. Les prot ines de base sont galement diverses, bien que beaucoup d'entre elles partagent certains domaines caract ristiques tels que le domaine LINK, impliqu dans la liaison aux GAG. Les prot oglycanes peuvent tre normes. Le prot oglycane agr can, par exemple, qui est un composant majeur du cartilage, a une masse d'environ 3 106 daltons avec plus de 100 cha nes GAG. D'autres prot oglycanes sont beaucoup plus petits et n'ont que 1 10 cha nes GAG ; un exemple est la d corine, qui est s cr t e par les fibroblastes et a une seule cha ne GAG (Figure 19 36). La d corine se lie aux fibrilles de collag ne et r gule l'assemblage des fibrilles et le diam tre des fibrilles ; Les souris qui ne peuvent pas fabriquer de la d corine ont une peau fragile dont la r sistance la traction est r duite. Les GAG et les prot oglycanes de ce
Biologie moléculaire de la cellule	s diff rents types peuvent s'associer pour former des complexes polym res encore plus grands dans la matrice extracellulaire. Les mol cules d'agr gat, par exemple, s'assemblent avec l'hyaluronane dans la matrice cartilagineuse pour former des agr gats aussi gros qu'une bact rie (Figure 19-37). De plus, en plus de s'associer les uns aux autres, les GAG et les prot oglycanes s'associent aux prot ines de la matrice fibreuse telles que le collag ne et aux r seaux prot iques tels que la lame basale, cr ant des composites extr mement complexes (Figure 19-38). Tous les prot oglycanes ne sont pas des composants s cr t s de la matrice extracellulaire. Certains font partie int grante des membranes plasmiques et ont leur prot ine centrale soit ins r e travers la bicouche lipidique, soit attach e la bicouche lipidique par une ancre de glycosylphosphatidylinositol (GPI). Parmi les prot oglycanes de la membrane plasmique les mieux caract ris s, on trouve les synd cines, qui ont une prot ine centrale couvrant la membrane dont on pense que le domaine intracellulaire interagit avec le cytosquelette d'actine et avec les mol cules de signalisation du cortex cellulaire. Les synccanes sont situ s la surface de nombreux types de cellules, y compris les fibroblastes et les cellules pith liales. Dans DECORIN AGGRECAN (MW ~40 000) (MW ~3 x 106) Figure 19 35 Le lien entre une cha ne GAG et sa prot ine centrale dans une mol cule de prot oglycane. Un t trasaccharide maillon sp cifique est d'abord assembl sur une cha ne lat rale s rine. le reste de la cha ne GaG, constitu e principalement d'une unit disaccharide r p titive, est ensuite synth tis , avec un sucre ajout la fois. Dans le sulfate de chondro tine, le disaccharide est compos d'acide D-glucuronique et de N-ac tyl-D-galactosamine ; dans le sulfate d'h parane, il s'agit soit de l'acide D-glucuronique, soit de l'acide L-iduronique et de la N-ac tyl-Dglucosamine ; dans le sulfate de k ratane, il s'agit de la D-galactose et de la N-ac tyl-D-glucosamine. Figure 19 36 : exemples d'un petit (d corine) et d'un grand (agr gat can) prot oglycane trouv s dans la matrice extracellulaire. la figure compare ces deux prot oglycanes avec une mol cule de glycoprot ine s cr t e typique, la ribonucl ase pancr atique B. tous les trois sont dessin s l' chelle. les prot ines de base de l'agr gatane et de la d corine contiennent des cha nes oligosaccharidiques ainsi que les cha nes GaG, mais celles-ci ne sont pas repr sent es. L'aggrecan se compose g n ralement d'environ 100 cha nes de sulfate de chondro tine et d'environ 30 cha nes de sulfate de k ratan li es une prot ine centrale riche en s rine de pr s de 3000 acides amin s. La d corine d corine la surface des fibrilles de collag ne, d'o son nom. RIBONUCLEASE (MW ~ 15 000) Des fibroblastes oligosaccharidiques courts et ramifi s, des synd canes, peuvent tre trouv s dans les adh sions cellule-matrice, o ils modulent la fonction de l'int grine en interagissant avec la fibronectine la surface de la cellule et avec les prot ines cytosquelettiques et de signalisation l'int rieur de la cellule. Comme nous le verrons plus loin, le synd can et d'autres prot oglycanes interagissent galement avec les facteurs de croissance des peptides solubles, influen ant leurs effets sur la croissance et la prolif ration cellulaires. Les collag nes sont les principales prot ines de la matrice extracellulaire Les collag nes sont une famille de prot ines fibreuses pr sentes chez tous les animaux multicellulaires. Ils sont s cr t s en grande quantit par les cellules du tissu conjonctif, et en plus petites quantit s par de nombreux autres types de cellules. En tant que composant majeur de la peau et des os, les collag nes sont les prot ines les plus abondantes chez les mammif res, o ils constituent 25% de la masse totale des prot ines. La principale caract ristique d'une mol cule de collag ne typique est sa structure h lico dale longue, rigide et triple brin, dans laquelle trois cha nes polypeptidiques de collag ne, appel es cha nes , sont enroul es l'une autour de l'autre dans une superh lice en forme de corde (Figure 19-39). Agr gat de 0,5 m Figure 19 37 Agr gat d'agr gat de cartilage bovin f tal. a) une micrographie lectronique d'un agr gat d'agr gat ombr de platine. De nombreuses mol cules d'agr gat libre sont galement visibles. (B) un dessin de l'agr gat g ant illustr en (a). Il se compose d'environ 100 monom res agr g s (chacun comme celui illustr aux figures 19-36) li s de mani re non covalente par le domaine N-terminal de la prot ine centrale une seule cha ne hyaluronaque. Une prot ine de liaison se lie la fois la prot ine centrale du prot oglycane et la cha ne hyaluronaine, stabilisant ainsi l'agr gat. Les prot ines de liaison sont membres d'une famille de prot ines de liaison aux hyaluronanes, dont certaines sont des prot ines de surface cellulaire. La masse mol culaire d'un tel complexe peut tre de 108
Biologie moléculaire de la cellule	daltons ou plus, et il occupe un volume quivalent celui d'une bact rie, qui est d'environ 2 10 12 cm3. (a, avec l'aimable autorisation de Lawrence Rosenberg.) Figure 19 38 Prot oglycanes dans la matrice extracellulaire du cartilage de rat. le tissu a t rapidement congel -196 C, puis fix et color alors qu'il tait encore congel (un processus appel substitution de gel) pour emp cher les cha nes GaG de s'effondrer. Dans cette micrographie lectronique, on voit les mol cules de prot oglycane former un fin r seau filamenteux dans lequel une seule fibrille de collag ne stri e est int gr e. Les parties les plus fonc es des mol cules de prot oglycane sont les prot ines de base ; les fils l g rement tach s sont les cha nes GaG. (reproduit de E.B. hunziker et R.K. Schenk, J. Cell Biol. 98:277-282, 1984. Avec l'autorisation de la Rockefeller University Press.) Figure 19 39 La structure d'une mol cule de collag ne typique. a) un mod le d'une partie d'une cha ne de collag ne unique, dans laquelle chaque acide amin est repr sent par une sph re. La cha ne est d'environ 1000 acides amin s. Il est dispos en h lice gaucher, avec trois acides amin s par tour et avec de la glycine tous les trois acides amin s. par cons quent, une cha ne est compos e d'une s rie de s quences triplets Gly-X-Y, dans lesquelles X et Y peuvent tre n'importe quel acide amin (bien que X soit g n ralement de la proline et Y soit g n ralement de l'hydroxyproline, une forme de proline qui est chimiquement modifi e lors de la synth se du collag ne dans la cellule). (B) un mod le d'une partie d'une mol cule de collag ne, dans lequel trois cha nes de , chacune repr sent e dans une couleur diff rente, sont enroul es l'une autour de l'autre pour former une tige h lico dale trois brins. La glycine est le seul acide amin assez petit pour occuper l'int rieur encombr de la triple h lice. Seule une courte longueur de la mol cule est montr e ; La mol cule enti re mesure 300 NM de long. (D'apr s un mod le de B.L. trus.) Les collag nes sont extr mement riches en proline et en glycine, qui sont toutes deux importantes dans la formation de l'h lice triple brin. Le g nome humain contient 42 g nes distincts codant pour diff rentes cha nes de collag ne. Diff rentes combinaisons de ces g nes sont exprim es dans diff rents tissus. Bien qu'en principe des milliers de types de mol cules de collag ne triple brin puissent tre assembl s partir de diverses combinaisons des 42 cha nes , seul un nombre limit de combinaisons triples h lico dales est possible, et environ 40 types de mol cules de collag ne ont t trouv s. Le type I est de loin le plus courant, tant le principal collag ne de la peau et des os. Il appartient la classe des collag nes fibrillaires, ou collag nes fibrillaires : apr s avoir t s cr t s dans l'espace extracellulaire, ils s'assemblent en polym res d'ordre sup rieur appel s fibrilles de collag ne, qui sont des structures minces (10 300 nm de diam tre) de plusieurs centaines de microm tres de long dans les tissus matures, o elles sont clairement visibles en micrographie lectronique (Figure 19-40 ; voir aussi Figure 19-38). Les fibrilles de collag ne s'agr gent souvent en faisceaux plus grands, semblables des c bles, de plusieurs microm tres de diam tre, qui sont visibles au microscope optique sous forme de fibres de collag ne. Les types de collag ne IX et XII sont appel s collag nes associ s aux fibrilles car ils d corent la surface des fibrilles de collag ne. On pense qu'ils lient ces fibrilles les unes aux autres et d'autres composants de la matrice extracellulaire. Le type IV est un collag ne formant un r seau, formant une partie majeure des lames basales, tandis que les mol cules de type VII forment des dim res qui s'assemblent en structures sp cialis es appel es fibrilles d'ancrage. Les fibrilles d'ancrage aident fixer la lame basale de l' pith lium multicouche au tissu conjonctif sous-jacent et sont donc particuli rement abondantes dans la peau. Il existe galement un certain nombre de prot ines de type collag ne contenant de courts segments de type collag ne. Il s'agit notamment du collag ne de type XVII, qui a un domaine transmembranaire et se trouve dans les h midesmosomes, et du collag ne de type XVIII, la prot ine centrale d'un prot oglycane dans les lames basales. De nombreuses prot ines semblent avoir volu par des duplications r p t es d'une s quence d'ADN originale, donnant lieu un motif r p titif d'acides amin s. Les g nes qui codent pour les cha nes de la plupart des collag nes fibrillaires en sont un bon exemple : ils sont tr s volumineux (jusqu' 44 kilobases de longueur) et contiennent environ 50 exons. La plupart de 1,5 nm Figure 19 40 Un fibroblaste entour de fibrilles de collag ne dans le tissu conjonctif de la peau embryonnaire d'un poussin. Dans cette micrographie lectronique, les fibrilles sont organis es en faisceaux qui courent approximativement angle droit
Biologie moléculaire de la cellule	les uns par rapport aux autres. Par cons quent, certains faisceaux sont orient s longitudinalement, tandis que d'autres sont vus en coupe transversale. Les fibrilles de collag ne sont produites par les fibroblastes. (D'apr s C. ploetz, E.I. Zycband et D.E. Birk, J. Struct. Biol. 106:73-81, 1991. Avec l'autorisation d'Elsevier.) les exons ont une longueur de 54 nucl otides, soit des multiples de 54, ce qui sugg re que ces collag nes proviennent de multiples duplications d'un g ne primordial contenant 54 nucl otides et codant exactement six r p titions Gly-X-Y (voir Figure 19-39). Le tableau 19 2 fournit des d tails suppl mentaires sur certains des types de collag ne abord s dans ce chapitre. Les collag nes s cr t s associ s aux fibrilles aident organiser les fibrilles Contrairement aux GAG, qui r sistent aux forces de compression, les fibrilles de collag ne forment des structures qui r sistent aux forces de traction. Les fibrilles ont des diam tres diff rents et sont organis es de diff rentes mani res dans diff rents tissus. Dans la peau des mammif res, par exemple, ils sont tiss s en osier de sorte qu'ils r sistent aux contraintes de traction dans plusieurs directions ; Le cuir est constitu de ce mat riau, convenablement conserv . Dans les tendons, les fibrilles de collag ne sont organis es en faisceaux parall les align s le long du grand axe de tension. Dans l'os mature et dans la corn e, ils sont dispos s en couches ordonn es ressemblant du contreplaqu , les fibrilles de chaque couche tant parall les les unes aux autres mais presque perpendiculaires aux fibrilles des couches de chaque c t . La m me disposition se produit chez les t tards peau (Figure 19 41). Les cellules du tissu conjonctif d terminent elles-m mes la taille et la disposition des fibrilles de collag ne. Les cellules peuvent exprimer un ou plusieurs g nes pour les diff rents types de mol cules de collag ne fibrillaire. Mais m me les fibrilles compos es du m me m lange de collag nes ont des arrangements diff rents dans diff rents tissus. Comment y parvient-on ? Une partie de la r ponse est que les cellules peuvent r guler la disposition du collag ne Figure 19 41 Fibrilles de collag ne dans la peau du t tard. Cette micrographie lectronique montre la disposition des fibrilles en contreplaqu : des couches successives de fibrilles sont dispos es presque perpendiculairement les unes aux autres. Cette organisation se retrouve galement dans l'os mature et dans la corn e. (Avec l'aimable autorisation de Jerome Gross.) 5 m (A) mol cule de collag ne de type IX fbrillil de collag ne de type II (B) (C) 100 nm Figure 19 42 Collag ne de type IX. (a) des mol cules de collag ne de type IX se liant de mani re p riodique la surface d'une fibrille contenant du collag ne de type II. (B) Micrographie lectronique d'une fibrille de collag ne de type II dans le cartilage, d cor e de mol cules de collag ne de type IX. (C) une mol cule individuelle de collag ne de type IX. (B et C, d'apr s L. Vaughan et al., J. Cell Biol. 106:991-997, 1988. Avec l'autorisation de la Rockefeller University Press.) mol cules apr s s cr tion en guidant la formation de fibrilles de collag ne pr s de la membrane plasmique. De plus, les cellules peuvent influencer cette organisation en s cr tant, en plus de leurs collag nes fibrillaires, diff rents types et quantit s d'autres macromol cules matricielles. En particulier, ils s cr tent la prot ine fibreuse fibronectine, comme nous le verrons plus loin, et cela pr c de la formation des fibrilles de collag ne et aide guider leur organisation. Les collag nes associ s aux fibrilles, tels que les collag nes de types IX et XII, sont consid r s comme particuli rement importants dans l'organisation des fibrilles de collag ne. Ils diff rent des collag nes fibrillaires de la mani re suivante. Tout d'abord, leur structure h lico dale triple brin est interrompue par un ou deux courts domaines non h lico daux, ce qui rend les mol cules plus flexibles que les mol cules de collag ne fibrillaire. Deuxi mement, ils ne s'agr gent pas les uns aux autres pour former des fibrilles dans l'espace extracellulaire. Au lieu de cela, ils se lient de mani re p riodique la surface des fibrilles form es par les collag nes fibrillaires. Les mol cules de type IX se lient aux fibrilles contenant du collag ne de type II dans le cartilage, la corn e et le vitr de l' il (Figure 19-42), tandis que les mol cules de type XII se lient aux fibrilles contenant du collag ne de type I dans les tendons et divers autres tissus. On pense que les collag nes associ s aux fibrilles interviennent dans les interactions des fibrilles de collag ne entre elles et avec d'autres macromol cules de la matrice pour aider d terminer l'organisation des fibrilles dans la matrice. Les cellules aident organiser les fibrilles de collag ne qu'elles s cr tent en exer ant une tension sur la matrice Les cellules interagissent avec la matrice extracellulaire m caniquement et chim
Biologie moléculaire de la cellule	iquement, et des tudes en culture sugg rent que l'interaction m canique peut avoir des effets dramatiques sur l'architecture du tissu conjonctif. Ainsi, lorsque les fibroblastes sont m lang s un r seau de fibrilles de collag ne orient es de mani re al atoire qui forment un gel dans une bo te de culture, les fibroblastes tirent sur le r seau, puisant le collag ne de leur environnement et provoquant ainsi la contraction du gel une petite fraction de son volume initial. Par des activit s similaires, un amas de fibroblastes s'entoure d'une capsule de fibres de collag ne dens ment emball es et orient es circonf rentiellement. Si deux petits morceaux de tissu embryonnaire contenant des fibroblastes sont plac s loin l'un de l'autre sur un gel de collag ne, le collag ne interm diaire s'organise en une bande compacte de fibres align es qui relient les deux explants (Figure 19-43). Les fibroblastes migrent ensuite hors des explants le long des fibres de collag ne align es. Ainsi, les fibroblastes influencent l'alignement des fibres de collag ne, et les fibres de collag ne affectent leur tour la distribution des fibroblastes. Les fibroblastes peuvent jouer un r le similaire dans l'organisation de la matrice extracellulaire l'int rieur du corps. Tout d'abord, ils synth tisent les fibrilles de collag ne et les d posent dans la bonne orientation. Ensuite, ils travaillent sur la matrice qu'ils ont s cr t e, rampant dessus et tirant dessus de mani re cr er des tendons et des ligaments et les couches dures et denses de tissu conjonctif qui entourent et lient ensemble la plupart des organes. Figure 19 43 La formation de la matrice extracellulaire par les cellules. Cette micrographie montre une r gion entre deux morceaux de c ur de poulet embryonnaire (riche en fibroblastes ainsi qu'en cellules musculaires cardiaques) qui ont t cultiv s sur un gel de collag ne pendant 4 jours. Une bande dense de fibres de collag ne align es s'est form e entre les explants, probablement cause des fibroblastes des explants qui tirent sur le collag ne. (D'apr s D. Stopak et a.K. Harris, Dev. Biol. 90:383-398, 1982. Avec l'autorisation de la presse universitaire.) De nombreux tissus vert br s, tels que la peau, les vaisseaux sanguins et les poumons, doivent tre la fois solides et lastiques pour fonctionner. Un r seau de fibres lastiques dans la matrice extracellulaire de ces tissus leur conf re la r silience n cessaire pour reculer apr s un tirement transitoire (Figure 19 44). Les fibres lastiques sont au moins cinq fois plus extensibles qu'un lastique de la m me section transversale. De longues fibrilles de collag ne in lastiques sont entrelac es avec les fibres lastiques pour limiter l' tendue de l' tirement et emp cher le tissu de se d chirer. Le principal composant des fibres lastiques est l' lastine, une prot ine hautement hydrophobe (environ 750 acides amin s), qui, comme le collag ne, est exceptionnellement riche en proline et en glycine mais, contrairement au collag ne, n'est pas glycosyl e. La tropo lastine soluble (le pr curseur biosynth tique de l' lastine) est s cr t e dans l'espace extracellulaire et assembl e en fibres lastiques pr s de la membrane plasmique, g n ralement dans les repliements de la surface cellulaire. Apr s la s cr tion, les mol cules de tropo lastine deviennent fortement r ticul es les unes aux autres, g n rant un vaste r seau de fibres et de feuilles d' lastine. La prot ine d' lastine est compos e en grande partie de deux types de segments courts qui alternent le long de la cha ne polypeptidique : les segments hydrophobes, qui sont responsables des propri t s lastiques de la mol cule ; et des segments -h lico daux riches en alanine et en lysine, qui sont r ticul s aux mol cules adjacentes par fixation covalente des r sidus de lysine. Chaque segment est cod par un exon distinct. Il existe encore des incertitudes concernant la conformation des mol cules d' lastine dans les fibres lastiques et la fa on dont la structure de ces fibres explique leurs propri t s caoutchouteuses. Cependant, il semble que certaines parties de la cha ne polypeptidique d' lastine, comme les cha nes polym res du caoutchouc ordinaire, adoptent une conformation l che en bobine al atoire , et c'est la nature al atoire des mol cules composant r ticul es dans le r seau de fibres lastiques qui permet au r seau de s' tirer et de reculer comme un lastique (Figure 19-45). L' lastine est la prot ine dominante de la matrice extracellulaire dans les art res, repr sentant 50 % du poids sec de la plus grande art re, l'aorte (voir Figure 19-44). Les mutations du g ne de l' lastine provoquant une d ficience de la prot ine chez la souris ou l'homme entra nent un r tr cissement de l'aorte et d'autres art res et une prolif ration excessive de cellules musculaires lisses dans la paroi art rielle. Apparemment, l' lasticit normale d'une art re est n cessaire pour limiter la prolif ration de ces cellules. Les fibres las
Biologie moléculaire de la cellule	tiques ne sont pas uniquement constitu es d' lastine. Le noyau d' lastine est recouvert d'une gaine de microfibrilles, chacune d'entre elles ayant un diam tre d'environ 10 nm. Les microfibrilles apparaissent avant l' lastine dans les tissus en d veloppement et semblent fournir un chafaudage pour guider le d p t d' lastine. Les r seaux de microfibrilles sont lastiques en eux-m mes, et certains endroits, ils persistent en l'absence d' lastine : ils aident maintenir le cristallin sa place dans l' il, par exemple. Les microfibrilles sont compos es d'un certain nombre de glycoprot ines distinctes, dont la grande glycoprot ine fibrilline, qui se lie Figure 19 44 fibres lastiques. Ces micrographies lectroniques balayage montrent (A) une vue faible puissance d'un segment de l'aorte d'un chien et (B) une vue haute puissance du r seau dense de fibres lastiques orient es longitudinalement dans la couche externe du m me vaisseau sanguin. Tous les autres composants ont t dig r s avec des enzymes et de l'acide formique. (D'apr s K.S. haas et al., Anat. Rec. 230:86-96, 1991. Avec la permission de Wiley-Liss.) L' lastine est essentielle l'int grit des fibres lastiques. Des mutations dans le g ne de la fibrilline entra nent le syndrome de Marfan, une maladie humaine relativement courante. Chez les individus les plus s v rement touch s, l'aorte est sujette la rupture ; D'autres effets courants comprennent le d placement du cristallin et des anomalies du squelette et des articulations. Les personnes touch es sont souvent exceptionnellement grandes et d gingand es : Abraham Lincoln est soup onn d'avoir eu la maladie. La fibronectine et d'autres glycoprot ines multidomaines aident organiser la matrice En plus des prot oglycanes, des collag nes et des fibres lastiques, la matrice extracellulaire contient un assortiment large et vari de glycoprot ines qui ont g n ralement plusieurs domaines, chacun avec des sites de liaison sp cifiques pour d'autres macromol cules de la matrice et pour les r cepteurs la surface des cellules (Figure 19-46). Ces prot ines contribuent donc la fois organiser la matrice et aider les cellules s'y fixer. Comme les prot oglycanes, ils guident galement les mouvements cellulaires dans les tissus en d veloppement, en servant Figure 19 45 tirement d'un r seau de mol cules d' lastine. Les mol cules sont reli es entre elles par des liaisons covalentes (ROUGE) pour g n rer un r seau r ticul . Dans ce mod le, chaque mol cule d' lastine du r seau peut s' tendre et se contracter d'une mani re ressemblant une bobine al atoire, de sorte que l'ensemble peut s' tirer et reculer comme un lastique. Figure 19 46 Glycoprot ines complexes de la matrice extracellulaire. De nombreuses glycoprot ines matricielles sont de grandes prot ines d' chafaudage contenant plusieurs copies de domaines d'interaction prot ique sp cifiques. Chaque domaine est pli en une structure globulaire discr te, et de nombreux domaines de ce type sont dispos s le long de la prot ine comme des perles sur une ficelle. Ce diagramme montre quatre prot ines repr sentatives parmi les quelque 200 glycoprot ines matricielles que l'on trouve chez les mammif res. Chaque prot ine contient plusieurs domaines de r p tition, avec les noms list s dans la cl en bas. La fibronectine, par exemple, contient de nombreuses copies de trois r p titions diff rentes de la fibronectine (types I III, tiquet es ici comme FN1, FN2 et FN3). deux r p titions de type III pr s de l'extr mit C-terminale contiennent des sites de liaison importants pour les int grines de surface cellulaire, tandis que d'autres r p titions FN sont impliqu es dans la liaison de la fibrine, du collag ne et de l'h parine, comme indiqu (voir Figure 19-47). D'autres prot ines matricielles contiennent des s quences r p t es ressemblant celles du facteur de croissance pidermique (EGF), un r gulateur majeur de la croissance et de la prolif ration cellulaires ; Ces r p titions pourraient remplir une fonction de signalisation similaire dans les prot ines matricielles. D'autres prot ines contiennent des domaines, tels que la r p tition de la prot ine de liaison au facteur de croissance analogue l'insuline (IGFBp), qui se lient et r gulent la fonction des facteurs de croissance solubles. pour ajouter plus de diversit structurelle, beaucoup de ces prot ines sont cod es par des transcrits d'ARNr qui peuvent tre piss s de diff rentes mani res, en ajoutant ou en supprimant des exons, tels que ceux de la fibronectine. Enfin, les fonctions d' chafaudage et de r gulation de nombreuses prot ines matricielles sont encore largies par assemblage en formes multim riques, comme le montre la droite : la fibronectine forme des dim res li s aux extr mit s C, tandis que la t nascine et la thrombospondine forment respectivement des hexam res et des trim res li s N-terminal. D'autres domaines comprennent quatre r p titions de la thrombospondine (tSpN, tSp1, tSp3, tS

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