Le cytosquelette est un réseau hautement dynamique et organisé de protéines filamenteuses qui s’étend dans tout le cytoplasme. Il fournit un support mécanique, détermine la forme des cellules, positionne les organites et génère les forces nécessaires à la division et à la motilité cellulaire.

Filaments d’actine (microfilaments)

Les filaments d’actine (F-actine) mesurent 7 nm de diamètre et sont assemblés à partir de monomères d’actine globulaire (G-actine) liés à l’ATP ou à l’ADP. La polymérisation se produit préférentiellement à l’extrémité barbelée (plus), tandis que la dépolymérisation se produit à l’extrémité pointue (moins), une propriété appelée tapis roulant lorsque les taux sont équilibrés. Les protéines liant l’actine régulent la dynamique des filaments : la profiline favorise la polymérisation de l’actine en échangeant l’ADP contre de l’ATP, la cofiline coupe les filaments et accélère la dépolymérisation, et le complexe Arp2/3 nuclée de nouveaux filaments sous forme de branches sur ceux existants. Les protéines de coiffage lient l’extrémité barbelée pour stabiliser les filaments, tandis que la tropomoduline coiffe l’extrémité pointue. Les formines nucléent des filaments linéaires non ramifiés et restent associées à l’extrémité barbelée pendant l’élongation.

Microtubules

Les microtubules sont des cylindres creux de 25 nm de diamètre composés d’hétérodimères de tubuline α et β qui s’assemblent tête-bêche en protofilaments, dont treize forment généralement la paroi des microtubules. Les microtubules présentent une instabilité dynamique : ils alternent entre phases de croissance (polymérisation du GTP-tubuline) et de retrait rapide (catastrophe déclenchée par l’hydrolyse du GTP dans la sous-unité β-tubuline). Le centrosome sert de centre principal d’organisation des microtubules dans les cellules animales, contenant une paire de centrioles entourés d’un matériau péricentriolaire riche en complexes cycliques de tubuline γ qui nucléent les microtubules. Les protéines associées aux microtubules (MAP) telles que MAP2 et tau stabilisent les microtubules, tandis que la katanine les divise. Le taxol, un médicament, stabilise les microtubules et est utilisé comme agent de chimiothérapie, tandis que la colchicine et le nocodazole favorisent la dépolymérisation.

Filaments intermédiaires

Les filaments intermédiaires mesurent 10 nm de diamètre et sont composés de diverses protéines spécifiques aux tissus. Les filaments intermédiaires cytoplasmiques comprennent les kératines dans les cellules épithéliales, la vimentine dans les cellules mésenchymateuses, la desmine dans les cellules musculaires, la protéine acide fibrillaire gliale dans les astrocytes et les neurofilaments dans les neurones. Les filaments nucléaires intermédiaires (lamines A, B et C) forment la lame nucléaire sous la membrane nucléaire interne, fournissant un support mécanique au noyau et ancrant la chromatine. Contrairement à l’actine et aux microtubules, les filaments intermédiaires sont non polaires et n’utilisent pas l’hydrolyse des nucléotides pour la polymérisation. Ils assurent une résilience mécanique aux cellules et aux tissus, et des mutations dans les gènes des filaments intermédiaires provoquent des maladies telles que l’épidermolyse bulleuse simple (kératine), la cardiomyopathie (desmine) et la progéria (lamine A).

Protéines motrices

Les myosines sont des protéines motrices basées sur l’actine qui se déplacent vers l’extrémité barbelée des filaments d’actine (myosine de classe II dans le muscle, myosine de classe V dans le transport des vésicules). La myosine II forme des filaments bipolaires qui font glisser les filaments d’actine antiparallèles les uns sur les autres, entraînant la contraction musculaire et la cytokinèse. Les kinésines sont des moteurs basés sur les microtubules qui se déplacent généralement vers l’extrémité positive (vers la périphérie cellulaire), transportant les vésicules, les organites et l’ARNm le long des traces des microtubules. Les dynéines sont des moteurs basés sur des microtubules qui se déplacent vers l’extrémité négative (vers le centrosome), alimentant le transport axonal rétrograde dans les neurones, positionnant l’appareil de Golgi et entraînant les battements ciliaires et flagellaires. Le dysfonctionnement des protéines motrices entraîne des maladies telles que la sclérose latérale amyotrophique (mutations de la kinésine) et la dyskinésie ciliaire primaire (mutations de la dynéine).

Cytosquelette dans la division cellulaire

Pendant la mitose, le réseau de microtubules interphases se désassemble et se réorganise en fuseau mitotique, un réseau bipolaire de microtubules qui s’attachent aux chromosomes via les kinétochores. Le point de contrôle de l’assemblage de la broche garantit une fixation bipolaire correcte avant le début de l’anaphase. La kinésine-5 (Eg5) réticule et fait glisser les microtubules antiparallèles pour séparer les pôles du fuseau. Le cytosquelette d’actine forme l’anneau contractile au niveau du sillon de clivage pendant la cytokinèse, constitué de filaments d’actine et de myosine II qui se contractent pour diviser la cellule. La formation du milieu du corps et l’abscission complètent la séparation des cellules filles.

Motilité cellulaire et migration

La migration cellulaire est un processus cyclique piloté par la dynamique de l’actine. À l’avant-garde, le complexe Arp2/3 forme des réseaux d’actine nucléés ramifiés et linéaires qui poussent la membrane plasmique vers l’avant pour former des lamellipodes et des filopodes. Les adhérences focales relient le cytosquelette d’actine à la matrice extracellulaire via des intégrines, assurant ainsi la traction. Le corps cellulaire avance à mesure que la contraction actine-myosine libère les adhérences arrière. La chimiotaxie est une migration cellulaire dirigée le long de gradients chimiques, médiée par la signalisation GPCR qui active PI3K, Rac et Cdc42, qui à leur tour régulent la polymérisation de l’actine. Les cellules se déplacent également dans des environnements tridimensionnels en utilisant des métalloprotéinases matricielles pour dégrader la matrice extracellulaire ou en utilisant un mouvement amiboïde qui se faufile à travers les interstices.