F-actine

Structure cristalline de la F-actine, 2zwh

Les unités d’actine filamenteuse (F-actine) sont également appelées microfilaments et sont des composants protéiques hautement conservés que l’on retrouve de façon quasi ubiquitaire dans les cytosquelettes eucaryotes. La F-actine et les autres protéines d’actine ont généralement des rôles structurels dans les cellules.

Introduction

L’actine est présente dans presque toutes les cellules eucaryotes et est connue principalement pour sa fonction de protéine structurelle et de translocation. Elle a également une fonction ATPase, car elle hydrolyse l’ATP en ADP et Pi et subit des changements de conformation à chaque hydrolyse. L’actine appartient à la superfamille des actines, qui comprend d’autres protéines telles que Hsp70(DnaK), Hsc70 et l’hexokinase, en raison de son changement de conformation dépendant des nucléotides. En raison de la similarité observée chez Escherichia Coli, Hsc70 et le domaine ATPase de l’actine, on pense que les deux protéines ont un ancêtre commun. Les procaryotes ne sont pas connus pour avoir de l’actine, mais possèdent cependant un homologue de l’actine, MreB, ce qui conduit également à l’idée d’une possible ascendance commune.

L’actine se présente sous deux formes : l’actine globulaire (G-actine), les unités monomériques libres de l’actine, et l’actine filamenteuse (F-actine) qui est la forme polymère. Ces deux formes sont en équilibre dynamique l’une avec l’autre, car la polymérisation et la dépolymérisation associées à l’ATP se produisent continuellement dans la cellule. Les unités monomères de la F-actine possèdent une forme qui est distincte de la forme monomère libre et c’est un résultat de ce changement que l’activité ATPase plus spécifique peut être observée.

Assemblage

(1J6Z).

La G-actine est la forme monomère libre de l’actine qui se polymérise en F-actine. Les structures de l’actine globulaire et de l’actine filamenteuse sont distinctes les unes des autres de nombreuses façons, malgré le fait que la G-actine comprend la F-actine. Lorsque l’actine monomère se polymérise en F-actine, l’unité devient aplatie. De plus, la F-actine possède une fonction ATPase qui est minimale dans la G-actine. Les domaines et le site actif sont les mêmes en termes d’éléments constitutifs et seront discutés plus tard en termes de monomère de F-actine.

La G-actine semble avoir plus de ligands dans sa structure, extérieurs au site actif. Seuls 3 des 5 existeraient réellement en solution et contribueraient à la polymérisation de la G-actine en F-actine. Cette représentation de la G-actine possède également une qui est observée dans certaines structures cristallines d’actine mais pas nécessairement. La molécule observée sur Cys374, a été utilisée pour bloquer l’activité de polymérisation afin que le cristal de G-actine puisse être observé

La formation de la F-actine est un processus dynamique d’assemblage et de désassemblage qui a été appelé « treadmilling ». La transition entre la G-actine et la F-actine commence par un oligomère stabilisé d’unités ATP-actine formé par un modèle de pliage de type nucléation-condensation. L’addition d’unités monomères d’ATP à l’une ou l’autre des extrémités se produit ensuite, mais, en raison d’une différence de polarité de charge dans les deux extrémités, il y a une addition préférentielle à ce qui est appelé « l’extrémité plus (+) » ou « l’extrémité barbelée ». A l’extrémité opposée, l' »extrémité moins (-) » ou l' »extrémité pointue », il y a une dissociation préférentielle des unités d’actine.

Après la fixation de l’actine liée à l’ATP, l’hydrolyse de l’ATP se produit donnant l’état lié à l’ADP et au Pi. La perte subséquente d’un Pi laisse l’état ADP-actine. En raison de la possibilité d’addition ou de retrait d’unités monomères aux deux extrémités, l’assemblage de la F-actine peut être décrit en termes d’équilibre. Cependant, comme le taux d’association ATP-actine est dix fois supérieur à celui de la dissociation ADP-actine, la F-actine a l’apparence d’un mouvement vers l’avant ou d’un « piétinement ». Les monomères d’ADP-actine se dissocient à l’extrémité moins et deviennent recyclés en ATP-actine afin que la polymérisation à l’extrémité plus puisse se produire à nouveau.

Structure

Histoire de la structure

La protéine F-actine a été découverte par Straub en 1942. La structure a été spéculée sur la base d’un cristallographe à rayons X de faible résolution trouvé en 1990 par Holmes et al. et au cours de cette période, le « modèle de Holmes » a été accepté. En revanche, la structure de la G-actine a été déterminée indépendamment plus de 30 fois. Un modèle de F-actine à plus haute résolution n’a été que récemment déposé dans la banque de données PDB en décembre 2008 par Oda et al. .

F-actine Monomère et Polymère

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Monomère

Chaque unité monomère de F-actine possède, dans le cadre de sa structure tertiaire, plusieurs boucles qui sont importantes pour son assemblage à la F-actine polymérique. Ces boucles subissent des changements de conformation en fonction de l’état du nucléotide lié ou elles servent de régions auxquelles les unités d’actine monomères adjacentes peuvent se lier. Elles agissent comme un « commutateur » de conformations, en fonction du nucléotide lié. Les résidus de la boucle de liaison à la DNAse I (40-50), en plus de subir des changements de conformation qui ont un impact sur la stabilité, lient les enzymes de la DNAse I et sont supposés garder une emprise sur la DNAse I. La boucle hydrophobe, couvrant les résidus 264-273, et la boucle , couvrant les résidus 165-172, fonctionnent comme des sites auxquels les boucles D monomères d’actine adjacentes peuvent se lier. Une fonction similaire est notée pour les résidus (374-375).

La molécule de F-actine telle que représentée ici est constituée de 375 résidus(43kDa) et de deux ligands, l’ADP et le Ca2+. Elle possède deux domaines principaux séparés par une fente de liaison aux nucléotides. Selon l’état du nucléotide lié, la conformation la plus stable de la F-actine change. Dans ses états liés à l’ATP et au nucléotide ADP + Pi, la fente de liaison est fermée. Dans son état lié à l’ADP seulement, elle a une fente de liaison plus largeUn trait caractéristique de l’actine est que les domaines restent tordus les uns par rapport aux autres, malgré les changements de conformation dépendant de l’état du nucléotide.

Polymère de F-actine (basé sur la structure de F-actine de Ken Holmes)

Polymère

La F-actine a l’apparence de deux hélices droites, avec une torsion graduelle l’une autour de l’autre. Elle est en fait composée de répétitions de 13 unités d’actine pour 6 tours gauches, s’étendant sur une longueur de 350 Å.

Modifications conformationnelles dépendantes de l’état du nucléotide

L’état du nucléotide phosphorylé lié affecte quelle conformation le monomère de F-actine entreprend. La présence d’un gamma-phosphate dans le site actif entraîne la rotation d’un résidu Ser14. Ce changement entraîne le décalage d’une histidine méthylée (HIC73), ce qui modifie le site actif de la F-actine et provoque un changement de conformation de la boucle D. L’HIC73 est située dans la « boucle de détection », ou le « commutateur » permettant de relier les changements de nucléotides liés aux changements de conformation. Dans l’ATP-actine et l’ADP-Pi-actine, la boucle D est non structurée. Dans la forme liée à l’ADP de la F-actine, une hélice alpha est couramment apparente dans la boucle D du monomère.

Bien que l’hélice alpha ne soit pas observée dans ce modèle de F-actine d’Oda et qu’elle ne soit pas observée dans certaines autres études sur la F-actine, il est reconnu par Oda et. al que les résultats expérimentaux auraient pu conduire à une hélice alpha étendue dans le modèle, par opposition à un brin désordonné étendu comme segment d’interaction entre les unités monomères de F-actine.

Domaines

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La structure d’une unité unique de F-actine provient d’une chaîne polypeptidique avec deux domaines. La fente de liaison des nucléotides, site d’hydrolyse de l’ATP, peut être observée entre les deux domaines. Le mouvement des domaines permet les conformations ouverte et fermée de la F-actine.

Le mouvement des domaines est rendu possible par la rotation autour du , représenté en violet. Selon Oda et al, lors de la transition de l’actine G- à l’actine F-, le domaine 2 s’inclinerait de 20° et s’ajusterait au domaine 1, donnant ainsi une conformation plus plate que la G-actine libre. Il n’est pas certain que cet aplatissement se produise avant ou après l’hydrolyse de l’ATP. Holmes fournit une image simplifiée de ce mouvement et de cet aplatissement du domaine.

Stabilité

La forme repliée aplatie de la F-actine nécessite des mécanismes de stabilisation différents de ceux de la forme monomère libre de la G-actine. La stabilité du complexe F-actine est obtenue par une série de impliquant l’arginine 206, 183, 177 (violet) ; le glutamate 72(bleu), l’aspartate 187(vert), 179 et la 4-méthyl histidine 73(jaune). La stabilité supplémentaire proviendrait d’une rupture de l’interaction entre les résidus de la même moitié de leurs domaines respectifs vers une nouvelle interaction entre où une distance beaucoup plus grande est observée entre eux.

Une fois que le Pi est libéré, un changement conformationnel sur la boucle D entraîne le « ramollissement » du filament de F-actine. C’est-à-dire qu’il rend le monomère ADP-actine plus instable et le rend plus susceptible d’être clivé

Site actif

Sur liaison de l’actine à l’extrémité plus du filament d’actine, la fonction ATPase est activée. Le changement de conformation de l’actine G- à F- favorise l’activité catalytique en raison du décalage de 20° conduisant à un site de liaison plus fermé ; ce changement de conformation est également stabilisé par l’interaction diagonale du sous-domaine entre Leu110 et Thr194. En conséquence de ces changements de conformation, l’actine est rapprochée du ligand ATP-Ca2+. Gln137 contient une molécule d’eau, et le fait de la placer à proximité de l’ATP permet le clivage du gamma-phosphate. La libération du phosphate inorganique se produit via le changement de conformation de la « boucle D » flexible en une hélice alpha ordonnée (bien que cela ne soit pas démontré par ce modèle).

Fonction

La F-actine remplit un rôle structurel, mécanique et enzymatique au sein des cellules eucaryotes. Ces fonctions ne sont pas nécessairement exclusives les unes des autres.

Les fonctions dynamiques de la f-actine sont fortement impliquées dans la migration cellulaire.

Cytosquelette

La f-actine est le composant le plus abondant du cytosquelette des eucaryotes. Elle fournit de grandes quantités de résistance à la traction, compte tenu de sa taille mince. Dans les cas où la flexibilité n’est pas souhaitable en tant que composant structurel, des réticulations peuvent être formées entre les polymères de F-actine pour donner plus de rigidité et de support.

L’allongement des branches de F-actine conduit au phénomène de poussée de la membrane plasmique vers l’avant dans l’extension lamellopodiale et filopodiale. Ce processus repose sur l’état d’équilibre dynamique dans lequel se trouve la G- et la F-actine, car c’est la polymérisation continue des unités d’actine sur le bord d’attaque qui propulse l’extension de la membrane. Sans la fonction enzymatique ATPase de la F-actine, ce processus ne serait pas possible.

Actine-Myosine

La forme relativement plus plate de la F-actine par rapport à la G-actine permet à la myosine de se lier préférentiellement à la F-actine par rapport à la G-actine. Cela signifie que la F-actine, et non la G-actine, est la forme fonctionnelle de l’actine. Elle compose une grande partie des filaments fins en conjonction avec la myosine pour donner les contractions musculaires. La structure de la F-actine lui confère une grande résistance aux forces étendues, telles que celles subies lors de la contraction musculaire.