Le mouvement cellulaire reconstitué in vitro

Paris, le 7 octobre 1999

Les cellules eucaryotes bougent. Soumises à de multiples facteurs extracellulaires - facteurs de croissance, hormones, agents chimiotactiques, etc. - elles se déplacent ou se déforment. Ces mouvements se rencontrent particulièrement chez les cellules embryonnaires et métastatiques, et au cours d'un grand nombre de processus morphogénétiques. Une étape clé dans la compréhension des mécanismes moléculaires en jeu dans ces mouvements vient d'être franchie par l'équipe de dynamique du cytosquelette et signalisation cellulaire du Laboratoire d'enzymologie et biochimie structurales (LEBS, CNRS) à Gif-sur-Yvette. En utilisant des protéines pures, les chercheurs sont parvenus à reconstituer le mouvement cellulaire in vitro, et notamment celui de bactéries pathogènes telles que Listeria et Shigella.
Ces résultats, qui viennent d'être publiés*, devraient contribuer à mieux comprendre l'organisation fonctionnelle du mouvement. Ils permettent aussi d'envisager des applications thérapeutiques, par la mise au point de substances agissant sur les voies de signalisation ou sur le mouvement, et en définissant les cibles moléculaires impliquées dans la pathogénicité de Listeria et Shigella.

La formation des filaments d'actine (protéine de la contraction musculaire) est responsable de la locomotion des cellules. Pour décrire les mouvements cellulaires en termes moléculaires, il est essentiel de comprendre le mécanisme par lequel la polymérisation de l'actine est contrôlée spatialement et temporellement en liaison avec la signalisation cellulaire, pour développer une force de propulsion capable de déformer la membrane plasmique.

L'assemblage des filaments d'actine est une réaction qui consomme de l'énergie (hydrolyse d'une molécule d'ATP). Cette énergie est utilisée pour alimenter un flux stationnaire d'unités d'actine d'une extrémité à l'autre du filament ; ce flux porte le nom de "treadmilling" ou tapis roulant. Dans ce processus de chenillette, les sous-unités d'actine s'associent à l'extrémité du filament localisée au bord avant des cellules, tandis que d'autres sous-unités se dissocient de l'extrémité située à l'arrière de la zone d'étirement de la cellule (lamellipode). Le filament d'actine demeure ainsi stationnaire en longueur, mais subit un renouvellement directionnel.

La reconstitution de la motilité in vitro, par l'équipe du LEBS, souligne l'importance de la fonction régulatrice de certaines protéines dans le mouvement dû au renouvellement des filaments d'actine. L'expérience a consisté en l'intégration fonctionnelle de huit protéines pures, la vitesse du mouvement étant contrôlée par les protéines qui régulent la vitesse de renouvellement des filaments. Il s'agit de deux protéines essentielles, la cofiline et la "capping protein". Une autre protéine, la profiline contribue également à accélérer le renouvellement des filaments. La fonction de ces protéines régulatrices de la dynamique des filaments a été comprise par cette même équipe au cours des deux dernières années. Le milieu de motilité, reconstitué au LEBS, consiste donc en une solution d'actine polymérisée et maintenue, grâce à ces protéines, dans un état stationnaire dynamique en présence d'ATP, qui fournit l'énergie.

©UPR 9063 CNRS
Schéma de propulsion par insertion d'actine au bout d'un polymère d'actine. La bactérie Shigella (1) porte à sa surface principalement à l'arrière une population de protéine appelée IcsA, dont un seul exemplaire est représenté (2). La protéine bactérienne adsorbe spécifiquement la protéine WASP (3) de la cellule hôte quelle parasite. La protéine WASP est généralement située au bord avant des cellules en mouvement où elle remplit d'importantes fonctions : elle fixe un ligand (ici c’est IcsA) qui la rend active, c’est-à-dire capable d’interagir avec un complexe nucléant (Arp 2/3, non représenté) qui initie la formation d’un nouveau filament d’actine. La protéine WASP interagit par une de ses extrémités avec le filament d’actine polymérisée (4) et par l’autre extrémité avec le monomère d’actine (5), favorisant ainsi l’allongement du filament. Dans le cas des cellules vivantes motiles, les filaments d’actine en croissance derrière les molécules WASP exercent une force de protrusion proportionnelle à leur nombre. La force produite par la polymérisation pousse plus loin le bord avant de la cellule au cours de son déplacement. Dans le cas de la bactérie Shigella, le recrutement de la protéine WASP et la force produite par la polymérisation de l’actine permettent à la bactérie de se propulser à la vitesse de 5 microns par minute et de passer d’une cellule à l’autre en traversant les membranes cellulaires tout en échappant au système immunitaire extracellulaire.

La compréhension du mouvement lié à la polymérisation de l'actine voit encore son utilité dans le domaine thérapeutique, puisqu'elle définit les cibles moléculaires impliquées dans la pathogénicité de Listeria et de Shigella. En effet, ces bactéries exposent à leur surface une protéine qui initie la formation des filaments d'actine. La force de propulsion qui résulte de l'assemblage continu des filaments à la surface des bactéries permet à celles-ci de se mouvoir à une vitesse de quelques micromètres par minute, dans le milieu de motilité reconstitué. In vivo, dans le cytoplasme de la cellule hôte, ce mouvement confère à ces bactéries des propriétés de virulence accrues car la force de propulsion leur permet d'invaginer la membrane et de passer d'une cellule à l'autre dans le tissu épithélial de l'intestin, en échappant au système immunitaire extracellulaire.

La reconstitution de la motilité in vitro permettra ainsi de mieux comprendre l'organisation fonctionnelle du mouvement. Elle devrait également offrir des possibilités de criblage rapide et précis de différentes substances agissant sur les voies de signalisation ou sur le mouvement.

Références : Loisel, T., Boujemaa, R., Pantaloni, D. et M-F. Carlier. Reconstitution of actin-based movement using pure proteins, Nature, 7 oct.1999.

Carlier, M.-F., Ducruix, A. et D. Pantaloni. Signalling to actin : The Cdc42-N-WASP-Arp2/3 connection, Chemistry and Biology (1999) Minireview, 6, R235-R240

Egile, C., Loisel, T., Pantaloni, D., Sansonetti P. et M-F. Carlier. Activation of the Cdc42 effector N-WASP by Shigella IcsA protein promotes actin nucleation by Arp 2/3 complex and bacterial actin-based motility, J. Cell. Biol. (1999), 146, 1319-1332.

Contacts :
Marie-France Carlier, Dominique Pantaloni
Laboratoire d'enzymologie et biochimie structurales CNRS
Gif sur Yvette

Département des Sciences de la vie du CNRS
Thierry Pilorge

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