Actine

Introduction

Les études sur le muscle sont très anciennes et la découverte de l’Actine est attribuée au Professeur Straub F.B. en 1942 (Actin. In: Studies from the Institute of Medical Chemistry University Szeged, vol. II (Szent-Gyi, A. ed.) pp. 3-15, S. Krager, Basel-New-York : S. Krager). Puis l’Actine fut rapidement identifiée dans les années 60 comme étant l’une des protéines les plus abondantes du cytosquelette des cellules eucaryotes. La première séquence primaire de l’Actine n’est alors connue complète qu’en 1975

ensemble des interactions impliquant l'ActineL’Actine est une protéine globulaire bilobée que l’on trouve partout dans la cellule et dont le rôle et les partenaires sont multiples. Une récente revue résume l’ensemble de ces interactions (voir schéma ci-dessous).

Actuellement on peut comptabiliser plus de 50 partenaires différents qui s’associent à l’actine comme cela est indiqué dans l’illustration suivante. (voir également l’article original sur ce sujet)

identification des partenaires de l'Actine

Ainsi l’Actine-F est un filament orienté et « vivant » en ce sens que chacune de ses deux extrémités sera bien différenciées en ; a)une extrémité barbue (barbed end) qui correspond à une zone de croissance rapide du filament, et b) une extrémité pointue (pointed end) qui est plutôt une zone à croissance lente du filament. Ceci a pour conséquence d’avoir un filament d’actine qui peut en permanence être allongé ou raccourci en fonction des demandes de la cellule. On trouvera des informations sur la régulation de la croissance du Filament d’Actine dans le travail ici cité .

Progressivement seront identifiés les nombreuses protéines spécifiques de ces régions du filament qui vont bloquer ou favoriser l’une de ses extrémités pour jouer un rôle dans l’élongation et la dépolymérisation du filament. (Voir également chapitre « Les protéines spécifiques du Sarcomère »). On va retrouver de telles protéines sous le sigle de « capping protein = (CP) » dans plusieurs travaux de références, mais aussi des informations au sujet du contrôle , et donc de l’assemblage et de la destruction de l’Actine-F plus particulièrement dans le muscle.

On trouve chez les mammifères 7 isoformes d’actine (voir complément d’informations sur les isoformes). Chez l’homme on compte 6 principales isoforme d’Actine bien identifiables dont les données de séquences ont été réunies dans le tableau suivant :

Tableau recapitulatif des séquences de l'ActinePour plus d’information, dans la banque de séquences suivante indiquer le nom de la protéine et/ou recopier le numéro d’identification spécifique de la protéine humaine sur  le lien suivant : Swiss Prot (Avec pour les différentes Actine respectivement : P68133, P62736, P60709, P68032, P63261, 63267).

L’actine alpha qui est présente dans les muscle striés est la première qui fut isolée et séquencée par la méthode de dégradation et de séquençage des protéines. On identifiera tout d’abord cette protéine comme constituée de 374 résidus (Première séquence) pour finalement découvrir qu’il y avait une sérine supplémentaire conduisant à la séquence primaire de la protéine globulaire nommée Actine-G avec 375 résidus (Séquence dSéquence Primaire de l'Actine squelettiqueéfinitive) et un poids moléculaire de 43 000 daltons. Progressivement cette protéine se révéla ubiquitaire et distribuée dans toutes les cellules et chez tous les mammifères avec de très petites variations de séquence comme cela est matérialisé par les sigles (*) au dessus de quelques résidus du polypeptide d’actine-G (voir illustration ci-dessous et article correspondant). Il est également indiqué que le résidu cystéine C-374 est très réactif et peut facilement être chimiquement modifié à l’aide d’un réactif chimique parfois fluorescent comme iodoacetamidonaphtalene, réactif fluorescent. (voir marquage fluorescent de l’actine).

Ce polypeptide monomérique est soluble à faible force ionique. L’utilisation de diverses protéases ayant des spécificités différentes (CHY =chymotrypsine; TRY= trypsine; THE = thermolysine; CLO = clostripaïne; NAG =nagarse; K =Protéine-K; V8 = Staphilococcus Aureus V8; THR = Thrombine) favorisa l’analyse biochimique de cette protéine avant la connaissance de sa séquence complète, et ainsi c’est l’attaque protéolytique de cette protéine, sous la forme actine-G tandis que la forme actine-F se révéla résistante si ce n’est la perte des trois derniers acides aminés, qui permit d’obtenirPrincipales fragementations protéolytiques sur la molécule de G-actine des formes plus courtes de l’Actine relativement stables dont les PM apparents (en kDa = kilo daltons) correspondent aux valeurs indiquées pour les différents fragments stables obtenus possédant ou pas la cystéine réactive CYS 374 . (schéma de la G-actine et sa résistance aux diverses protéases et article original)

Ces données permirent également d’en obtenir un cristal stable DNAse-G-actine après traitement à la trypsine du complexe. C’est de ces observations que l’actine est apparue bilobée avec une crevasse au sein de laquelle un atome de calcium et le nucléotide ADP (=adénosine di-phosphate) furent essentiels à la stabilité de la molécule. On remarquera que le N-terminal et le C-terminal de la protéine sont tous les deux proches l’un de l’autre dans le petit lobe. (voir d’autres images d’un cristal de G-actine et référence des travaux originaux)

l’illustration ci-dessous présente l’arrangement spatial de la structure primaire de la G-Actine comprenant le nucléotide et le calcium

Initiale représentationde l'organisation spatiale déduite du crystal de G-Actine

L’actine-G soluble en solution aqueuse va polymériser en présence de calcium, de magnésium et d’un nucléotide de type ATP (adénosine triphosphate) pour donner l’Actine-F ou filamenteuse (voir l’animation dans le lien en référence et l’illustration simplifiée ci-dessous).

Processus simplifié de la polymérisation de l'Actine G en Actine filamenteuse

Le filament d’Actine-F résulte d’un arrangement hélicoïdal dextre, dans lequel on trouve par tour d’hélice 13 monomères d’Actine-G sur une longueCinétique de polymérisation de la G-Actineur de 37 nm et dont la cinétique de polymérisation et la nature du nucléotide présent dans ces structures ont été étudiés en détails (voir illustration ci-dessous en référence à l article original sur le sujet).

On aura par ailleurs dès 2006 dépistage de mutations qui affectent la séquence de l’Actine squelettique. En 2009 une autre série de mutations sur l’Actine squelettique qui entrainent des pathologies musculaires. (Voir détails dans l’article en référence). Puis l’identification de 2 nouvelles mutations seront rapportée la même année.

Les données sur l’actine elle-même et ses potentiels partenaires sont en permanence remises à jour  (2011), et cela contribue à une vision de plus en plus claire de l’importance des rapports de voisinages que cette protéine ubiquitaire réalise dans la cellule en général, avec plus d’une cinquantaines de partenaires différents Une revue utilise les fibres pelées pour analyser la reconstitution des filaments fin d’actine.Une mise à jour du rôle du filament d’Actine est actuellement disponible. Il y est décrit que selon trois mécanismes distincts, en insistant sur les développements récents concernant l’importance dynamique de la polymérisation de l’actine dans la réponse myogénique de la vascularisation cérébrale. En résumé l’article propose 3 mécanismes ,mettant en jeu les filaments d’Actine,  qui sont  impliqués dans la réponse myogénique: il s’agit : 1) de la dépolarisation de la membrane :  2) de  l’activation de la voie RhoA / Rho-kinase associée (ROCK) ; et 3) de l’activation de la protéine kinase ROCK conduisant à la polymérisation d’actine et la formation de connexions renforcées entre le cytosquelette d’actine, la membrane plasmique, et la matrice extracellulaire pour augmenter la transmission de force.L’importance du filament d’Actine est relativement remise en cause comme élément majeur participant au processus de la contraction du muscle squelettique actuellement en vigueur. Un nouveau concept est proposé sur la base d’un modèle à trois filaments qui va comprendre non qu’un seulement les deux filaments d’Actine et de Myosine, mais qui implique la propriété essentielle d’élasticité (rôle de ressort) que confère au système la présence du troisième filament formé par la Titine.

Un travail original indique, parmi les nombreuses protéines qui constituent les fibres de stress (FS), que les filaments d’Actine participent activement à ces structures qui sont génératrices de force et de tension en réponse  à l’environnement physique.Une mini-revue présente le bilan des connaissances actuelles sur les 2 nucléotides importants que l’on trouve associés à la molécule d’actine. Les conformations  induites par la présence soit de l’ADP soit de l’ATP, nucléotides complexés avec l’Actine sont résumées dans l’article en référence. Il existe donc un équilibre entre ces 2 conformation avec la G-actine complexée soit avec de l’ATP soit avec de l’ADP et cela en relation directe avec l’extrémité de polymérisation et de dépolymérisation des Actine globulaire qui forment un filament d’Actine (voir figure 2 de l’article indiqué. Actuellement comme indiqué plus en détail dans l’article chaque portion de l’actine peut être colorée en fonction de sa situation et de sa fonction dans la structure de la G-Actine.

L’illustration ciNouvelle struture tridimentionnelle de la molécule de G_Actine-contre indique que les parties flexibles dédiées à la liaison des phosphates sont en bleu pâle et bleu foncé (aa : 11-16 =P1) et (aa :154-161 =P2) ; la boucle fragile est en vert (aa :70-78) ; la zone dite « H-plug » est en vert olive (aa :264-271) ; la boucle dite D est en orange (aa : 40-51) ; la boucle dite w est en rouge (aa :165-172) ; la zone dite « V-stretch » est en couleur cyan (aa :227-237) ; et les 2 extrémités Nter et Cter sont respectivement en jaune et en violet.Comme la question de la présence de l’actine dans tous les types cellulaires et dans tous les compartiments cellulaire des connaissances plus poussées proviennent de l’étude de ses diverses associations avec des techniques modernes.C’est ainsi que la microscopie électronique  dite “Cryo-EM” permet actuellement de suivre des interactions spécifique de l’Actine avec par exemple la Coronine.

En 2013 a pathologie définie comme Actinopathie est en  totalité analysée quant aux  acides aminés mutés sur la séquence de l’Actine squelettique ACTA1et un bilan est dressé pour ce qui concerne l’évolution de cette pathologie. L’étude pour l’assemblage dynamique des molécule d’Actine –G utilise de nouvelles technologies en utilisant par exemple la technique dite «  microfluidique ». Un mécanisme dit de « ping-pong » met en opposition les protéines baptises Spire et Formine 2 qui de manière synergique permettent de contrarier la régulation de l’assemblage de l’actine durant la méiose

Cependant dans le domaine des Dystrophies musculaires il apparait de plus en plus évident que l’altération est liée à une altération dans la relation de l’actine avec son partenaire majeur dans le muscle la myosine. (Analyse précise des implications structurelles que demandent la réalisation au niveau d’un muscle d’une force, transmission latérale des forces générées au sein du costamère, voir détails dans l’article en référence). Comme l’âge la maladie implique des adaptations au niveau des fibres musculaires et de la relation de l’Actine avec ses partenaires. De nouvelles études de prédictions permettent de dresser les propriétés nécessaires pour avoir une séquence capable de s’associer à la molécule d’Actine en relation directe avec les propriétés et l’arrangement spatial de la séquence primaire de 376 AA qui composent l’Actine squelettique.

En 2015, Cette revue se concentre sur les données biochimiques sur les effets de la Tropomyosine sur l‘assemblage et la dynamique de l’Actine, ainsi que sur la modulation de ces effets par des protéines liées à l’actine. Les données indiquent que la Tropomyosine peut réguler efficacement la dynamique de l’Actine par des changements de conformations allostériques au sein des  les filaments d’Actine.

Réarrangement structural des filaments d'Actine Toujours en 2015 le réarrangement des filaments d’actine cytosquelettique est abordé dans un cas particulier. Ainsi les neurones pyramidaux de l’hippocampe au niveau de ses extension dentritiques peuvent être étudiés vivants et les changements structuraux qui interviennent au niveau des filaments d’Actine-F peuvent être suivi par une méthode originale qui fait appel à la spectroscopie de fluorescence corrélée avec 2 proton (2P-FCS = neurones pyramidaux de l’hippocampe). Pour cela on utilise le Tetraethylammonium (=TEA) et les données FCS suggèrent que les filaments les moins dynamiques sont clivé en premier créant ainsi des filaments plus courts et plus dynamiques qui vont pouvoir se réorganiser et participer à une extension du cytosquelette comme cela est illustré par le schéma ci-contre qui résume cette croissance dendritiques. Un tel modèle permet d’expliquer comment la croissance des extrémités dendritiques neurones pyramidaux de l’hippocampe est possible avec la population d’actine présente dans le cytoplasme et il n’est pas nécessaire d’augmenter le nombre de filament mais simplement de les réarranger.

Ce nouveau  travail rapporte une enquête sur les mécanismes moléculaires des interactions de l’actine-myosine dans le muscle cardiaque. Il s’agit principalement d’étudier sur une plaque avec en solution des filaments d’actine rendu fluorescent pour en détecter ensuite les changements au cours d’une interaction avec des molécules de myosine que l’on ajoute à la solution.

En 2016 cette recherche porte sur les déterminants structuraux qui démontrent une propriété de coopérativité au sein du filament fin d’actine dans un muscle. Une analyse rapporte les informations sur le filament fin d’Actine dans le cadre du modèle de blocage stérique. Dans la représentation suivante le filament d’Actine dite F-actine est représenté dans sa conformation spatiale avec la Tropomyosine. La Tropomyosine dans ses trois positions réglementaires moyennes a été superposée sur un filament d’Actine pour gérer l’interaction avec les têtes globulaires de myosine.  La tropomyosine apparaît dans les états bloquant, fermé et ouvert (chaines hélicoïdales colorées rouge, jaune, vert, respectivement). L’illustration ci-contre est directement issue de l’article en référence et résume la situation.
Les isoformes de  différents types de Calponine CNN1, CNN2 et CNN3 sont présentées comme les troponines du muscle squelettique comme des régulateurs pour les fonctions de cytosquelette d’actine dans les cellules musculaires lisses et non musculaires. Les fibres de stress composées par le complexe entre l’Actine et la Myosine sont ici analysée selon leurs structures 2D et 3D et présentent des propriétés mécano sensibles en réponse au processus par lequel les cellules transforment des signaux biochimiques qui modulent leur environnement. On parle alors de mecanotransduction cellulaire.

En 2017 C’est une plus large analyse de la  Structure, Fonction, Dynamique et Interactions de l’Actine qui est présentée en détail au cours d’une action versus des Toxines Bactériennes. Cet article reprend en détail d’une part la myosine et d’autre part  l’actine mais également les 2 protéines géantes qui sous-tendent le filament épais (I.e. la Titine) et les filaments fins (I.e. la Nébuline) pour donner une vue d’ensemble sur les myofilaments avec l’ensemble de leurs constituants (informations incluant la présence de l’ Obscurine). C’est  en fait un bilan complet en 2017 sur les Filaments de Myosine et d’Actine: tant du point de vue de leurs structures respectives que pour les Interactions existantes au sein du  Muscle.

Les rôles et la régulation du cytosquelette d’actine sont repris en détail, et cet article traite des filaments intermédiaires et des microtubules et de leurs implications respectives dans la migration des muscles musculaires lisses.

Les isoformes de l’actine non-musculaire sont-elles fonctionnellement équivalentes? C’est la question que pose ce travail. En fait il est présenté sous forme de 2 tableau complémentaires l’ensemble des mutations affectant les gènes des isoformes non-musculaire de l’actine dite Bêta et Gamma dans un premier temps, puis dans un deuxième temps le tableau qui donne pour ces 2 isoformes d’actine les taux d’expression et les fonctions cellulaires impliquées.  Pour résumer la situation il est indiqué la différence dans les séquences N-terminales de ces diverses isoformes d’actines sur les 40 premiers résidus les plus divergents. Puis une liste référencée donne les principales zones de séquences divergentes au sein de la forme dite de type 2 de l’Actine Bêta (=bêta-like 2). Ces informations sont réunies sur l’illustration présentée ci-contre.

Les Tropomodulines et les Leiomodines représentent des protéines capables de coiffer une des extrémités du filament d’Actine et servent de centre de nucléation pour organiser les filaments fins dans le muscle squelettique. De nombreuses indications de séquences et de propriétés fonctionnelles sont présentées dans cette étude et en particulier des illustrations didactiques supportent ces informations comme le schéma ci-contre qui indique la distribution respectives de ces 2 protéines sur le filament fin d’actine au niveau du sarcomère.

Une reprise simplifiée de la structure musculaire, de la longueur du sarcomère et des influences que cela peut apporter sur la qualité de la viande figure dans cette revue une revue.

L‘Actine et les pathologies

On aura par ailleurs  dès 2006 dépistage de mutations qui affectent la séquence de l’Actine squelettique. En 2009 une autre série de mutations sur l’Actine squelettique qui  entrainent des pathologies musculaires. (Voir détails dans l’article en référence). Puis l’identification de 2 nouvelles mutations seront rapportée la même année.

En 2013 la pathologie définie comme Actinopathie est en  totalité analysée quant aux  acides aminés mutés sur la séquence de l’Actine squelettique ACTA1et un bilan est dressé pour ce qui concerne l’évolution de cette pathologie.

 En  2015 il est observé et décrit une pathologie Congénital sévère associée à  l’actine et cette myopathie est à relier avec des fonctionnalités trouvées dans les  myopathies Myofibrillaires.  Dans le détail il est rapporté une duplication de 2 résidus Alanine et Sérine en position 146-147.  La duplication 146-147 se trouve située au début du sous-domaine 3 et à l’intérieur de la région charnière. Ces deux acides aminés supplémentaires dans cette région affectent probablement la flexibilité de la protéine et peuvent entraver son interaction avec d’autres protéines. Dans la zone du  disque-Z,  la  F-Actine de deux sarcomères est réticulé par des homodimères d’ Alpha-Actinine  qui sont positionnés, d’une manière antiparallèle. Le site de liaison entre l’Actine et l’ Alpha-Actinine est situé dans ce sous-domaine, et la mutation dans la région charnière peut affecter cette interaction. Comme l’ Alpha-Actinine joue le rôle d’épine dorsale principale du disque-Z  où il permet une interaction  avec de nombreuses protéines, une interaction anormale entre  l’ Alpha-Actinine  et F-actine peut provoquer une accumulation anormale de certaines de ces protéines.

De plus une mutation de l’Actine squelettique sur la Cystéine 375 en Sérine est rapportée en détail comme un premier cas d’une telle aussi  sévère pathologie MN, (Nemaline myopathy).

Une analyse originale de la souris modèle de la cardiomyopathie dilatée (mutée sur le résidu E361G) permet de découvrir que le cœur de cet animal possède une réponse adrénergique émoussée et présente un dysfonctionnement dans sa réponse contractile dans le cas d’un stress chronique provoqué par l’angiotensine II. Ce résidu muté est maintenant indiqué dans la séquence où sont indiquées les nombreuses mutations détectées sur l’Actine et des détails sur cette étude sont consultables dans l’article indiqué.

En 2016, c’est une étude sur les diverses mutations (et délétions) connues sur la séquence de l’Actine alpha de muscle lisse et les conséquences des expressions génétiques dans les vasculopathies. Un tableau général compile les diverses informations avec le type de mutation rencontrée. Une illustration sur la séquence primaire donne en rouge et en italique la position respective des différents résidus mutés comme cela est présenté ci-contre. (Voir détails dans l’article original).

En 2017, la mutation faux sens  N117S dans l’actine de type 1 (ACTA1) du muscle squelettique et déjà mentionnée dans le schéma de compilations des mutations. Mais ici le travail indique  que cette mutation de l’actine est à considérer comme provoquant une forme légère de myopathie congénitale à némaline (NM).

En conclusion

Pour suivre l’évolution des connaissances sur chaque membre de la famille des Actines il existe des banques de données récentes qui sont  automatiquement mises à jour qui répertorient :

  1. )      chaque isoforme d’actine avec son lot de références historiques.
  2. )      les principales maladies actuellement connues qui résultent d’une mutation ou d’un défaut dans la protéine considérée (avec des références associées).
  • Protéine : ACTIN, ALPHA, CARDIAC MUSCLE ; ACTC1
  • Pathologies associées : ATRIAL SEPTAL DEFECT 5 ; ASD5 ; CARDIOMYOPATHY, DILATED, 1R; CMD1R ; CARDIOMYOPATHY, FAMILIAL HYPERTROPHIC, 11 ; CMH11
  • Protéine : ACTIN, ALPHA-2, SMOOTH MUSCLE, AORTA; ACTA2
  • Pathologies associées : AORTIC ANEURYSM, FAMILIAL THORACIC 6 ; AAT6 ; MOYAMOYA DISEASE 5; MYMY5

MULTISYSTEMIC SMOOTH MUSCLE DYSFUNCTION SYNDROME

  • Protéine : ACTIN, BETA ; ACTB
  • Protéine : ACTIN, GAMMA-1 ; ACTG1
  • Pathologies associées: BARAITSER-WINTER SYNDROME 2 ; BRWS2 ; DEAFNESS, AUTOSOMAL DOMINANT 20 ; DFNA20