B4 · Noyau
Enveloppe nucléaire et transport nucléocytoplasmique
Décrire la double membrane nucléaire, la lamina et le complexe du pore nucléaire. Expliquer les mécanismes d'import et d'export sélectifs entre noyau et cytoplasme et leurs signaux d'adressage.
Biologie cellulaire8 min de lecture17 QCM corrigés
Organisation générale de l'enveloppe nucléaire
L'enveloppe nucléaire sépare le contenu du noyau, appelé nucléoplasme, du cytoplasme. Cette compartimentation permet à la cellule eucaryote de contrôler les échanges de protéines et d'acides nucléiques entre ces deux espaces.
Une double membrane
L'enveloppe comprend deux bicouches lipidiques distinctes :
- la membrane nucléaire externe, en continuité avec la membrane du réticulum endoplasmique rugueux et pouvant porter des ribosomes sur sa face cytoplasmique ;
- la membrane nucléaire interne, dont les protéines spécifiques assurent des interactions avec la lamina et avec les constituants nucléaires ;
- l'espace périnucléaire, situé entre les deux membranes et continu avec la lumière du réticulum endoplasmique.
Les deux membranes fusionnent localement au niveau des pores nucléaires. Elles ont donc une continuité topologique, mais leur composition protéique diffère grâce à des mécanismes de rétention propres à chacune.
La lamina nucléaire
Les lamines sont des protéines appartenant à la famille des filaments intermédiaires de type V. Elles s'assemblent en un réseau résistant mais dynamique. On distingue principalement les lamines de type A et de type B, dont l'expression et l'ancrage membranaire diffèrent.
La lamina remplit plusieurs fonctions complémentaires :
- elle confère une résistance mécanique au noyau ;
- elle participe au maintien de sa forme ;
- elle contribue à l'ancrage de protéines de la membrane interne ;
- elle participe à la répartition des pores nucléaires ;
- elle fournit des zones d'interaction avec la chromatine périphérique.
La lamina n'est pas une coque rigide permanente. Lors d'une mitose avec disparition de l'enveloppe nucléaire, la phosphorylation des lamines diminue leurs interactions et provoque leur désassemblage. Leur déphosphorylation permet ensuite leur réassemblage autour des noyaux formés.
Le complexe du pore nucléaire
Chaque complexe est constitué de nombreuses copies d'un nombre limité de protéines appelées nucléoporines. Son organisation présente une symétrie d'ordre huit autour d'un canal central.
On distingue plusieurs régions fonctionnelles :
- un échafaudage annulaire inséré dans l'enveloppe ;
- des nucléoporines transmembranaires qui ancrent le complexe ;
- des filaments cytoplasmiques projetés vers le cytoplasme ;
- un panier nucléaire projeté vers le nucléoplasme ;
- un canal central contenant des nucléoporines riches en répétitions de phénylalanine et de glycine, dites nucléoporines FG.
Les domaines FG sont flexibles et forment une barrière de perméabilité sélective. Les petites molécules peuvent franchir le pore par diffusion passive. En revanche, le passage efficace des macromolécules nécessite généralement des récepteurs capables d'établir des interactions transitoires avec ces domaines.
Le pore nucléaire n'est donc pas un simple orifice. Il associe une ouverture aqueuse, une barrière sélective et une plateforme de reconnaissance des complexes transportés.
Principes du transport nucléocytoplasmique
Deux modalités coexistent :
- la diffusion passive, qui suit le gradient de concentration sans récepteur de transport ;
- le transport facilité sélectif, qui repose sur des signaux d'adressage, des récepteurs et un mécanisme imposant la direction du déplacement.
La limite entre ces modalités n'est pas un seuil absolu. Plus une molécule est volumineuse, plus sa diffusion spontanée devient lente. Une protéine de petite taille peut donc diffuser, alors qu'une cargaison macromoléculaire doit généralement être reconnue par un récepteur.
Les principaux récepteurs du transport sont les caryophérines. Les caryophérines assurant une entrée nucléaire sont appelées importines ; celles assurant une sortie sont appelées exportines. Elles reconnaissent directement la cargaison ou utilisent une protéine adaptatrice.
Signaux d'adressage nucléaire
Le signal de localisation nucléaire, abrégé SLN, est souvent enrichi en acides aminés basiques, principalement la lysine et l'arginine. Il peut comporter une seule région basique ou deux régions séparées par quelques résidus. Contrairement à de nombreux peptides d'adressage vers les organites, il n'est généralement pas clivé après l'import : la protéine peut ainsi effectuer plusieurs cycles d'entrée et de sortie.
Le signal d'export nucléaire, abrégé SEN, est fréquemment enrichi en résidus hydrophobes, en particulier en leucines. La seule présence d'un signal ne suffit pas toujours : il doit être exposé à la surface de la cargaison pour être accessible au récepteur.
Le masquage ou l'exposition d'un SLN ou d'un SEN constitue ainsi un moyen de réguler la localisation cellulaire. Des modifications covalentes, une interaction avec une autre protéine ou un changement de conformation peuvent modifier cette accessibilité. Une protéine dépourvue de signal peut également être transportée si elle reste liée à une autre molécule correctement adressée.
Import nucléaire dépendant de Ran
La direction du transport repose principalement sur la petite protéine Ran, une GTPase capable de lier soit le GTP, soit le GDP. Une GTPase hydrolyse la guanosine triphosphate, ou GTP, en guanosine diphosphate, ou GDP.
Dans le noyau, un facteur d'échange nucléotidique favorise la formation de Ran liée au GTP. Dans le cytoplasme, une protéine activatrice de GTPase stimule l'hydrolyse du GTP et favorise Ran liée au GDP. Il en résulte une concentration élevée de Ran-GTP dans le noyau et de Ran-GDP dans le cytoplasme.
L'énergie n'est pas utilisée par un moteur qui pousserait directement la cargaison dans le pore. Elle sert surtout à créer et à entretenir l'asymétrie de Ran entre les deux compartiments, ce qui impose la succession des associations et des dissociations.
Export nucléaire dépendant de Ran
L'export utilise le même gradient de Ran, mais la liaison de Ran-GTP produit l'effet inverse sur l'assemblage du complexe de transport. Dans le noyau, Ran-GTP favorise la fixation simultanée de l'exportine et de la cargaison portant un SEN.
Particularités du transport des ARN
Les ARN ne traversent pas le pore sous forme nue : ils sont associés à des protéines en complexes ribonucléoprotéiques. Plusieurs catégories d'ARN utilisent des exportines et le système Ran. L'export des ARN messagers matures repose cependant principalement sur des récepteurs spécialisés distincts des caryophérines classiques et sur un remodelage du complexe du côté cytoplasmique.
Cette exportation est couplée à des contrôles de maturation : un ARN insuffisamment préparé est normalement retenu dans le noyau. La maturation des ARN messagers et la biogenèse des ribosomes sont détaillées dans les fiches qui leur sont consacrées.
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