Processus de reconnaissance et d'adhésion intercellulaire
I. Les molécules d'adhésion
A. Mise en
évidence de molécules de reconnaissance et d’attachement sur
les membranes cellulaires
Les cellules des organes embryonnaires peuvent être facilement
dissociées par la trypsine (alors que les cellules des organes
de l’adulte le sont difficilement ). On opère dans un milieu
sans calcium, ni magnésium, supplémenté en EDTA, un chélateur
de ces deux ions divalents.
Si on dissocie du rein et du foie embryonnaire et que l’on
mélange les suspensions cellulaires , les cellules rénales
vont se réagréger entre elles, de même pour les cellules
hépatiques; on en déduit qu’il existe des molécules de
reconnaissance spécifiques au niveau de la membrane de chaque
variété de cellules .
Si on dissocie des cellules de l’ectoderme , du mésoderme et
de l’endoderme de l’embryon et qu’on les mélange , les
cellules de chaque feuillet vont se réassocier entre elles
dans une ordre précis : les cellules de l’ectoderme en
périphérie , celles de l’endoderme au centre , celles du
mésoderme au milieu. Il y a donc une hiérarchie précise dans
les processus d’adhésion qui joue un rôle essentiel dans
l’organisation de l’embryon .
B. La protéine N-CAM ( neuronal cell
adhesion molecule; calcium-indépendante) :
Cette protéine a été mise en évidence dans la rétine
embryonnaire ; la rétine est une expansion du cerveau .
On peut dissocier la rétine et fabriquer des anticorps
monoclonaux contre les protéines de la membrane des cellules.
Certains anticorps bloquent la réagrégation des cellules entre
elles. Ces anticorps ( greffés sur des billes de silice dans
une colonne de chromatographie d’affinité ) permettent de
purifier la protéine d’adhésion; la protéine purifiée peut
être séquencée (on détermine l’enchaînement de ses acides
aminés: la structure primaire); on en déduit la séquence du
gène.
N-CAM est composé d’un segment COOH terminal cytosolique, d’un
segment transmembranaire
(hélice alpha ) et d’un long segment extramembranaire (extrémité
NH2 ) comprenant 5 boucles fermées par des ponts S-S .
Il existe une analogie de structure de la protéine N-CAM avec
les anticorps; ces molécules , spécialisées dans la
reconnaissance, dérivent d’une famille de protéines très
ancienne dans l’évolution: la superfamille des
immunoglobulines .
Grâce au marquage par les anticorps, on montre que N-CAM est
présente à la surface des cellules nerveuses ( neurones ) et
des cellules gliales (la glie est le tissu de soutien du
système nerveux ; les cellules gliales nourrissent les
neurones ). La protéine N-CAM assure la liaison étroite des
deux types cellulaires .
La liaison de deux protéines N-CAM est homotypique (les deux
molécules sont identiques ) . La liaison est indépendante du
calcium .
La protéine N-CAM joue un rôle important au cours de
l’embryogenèse :
* les anticorps anti N-CAM empêchent le développement de
l’oeil
* les cellules de la crête neurale , initialement adhérentes
au tube neural , expriment N-CAM à leur surface. Par la suite
, ces cellules ne synthétisent plus N-CAM, elles se détachent
du tube neural et migrent à distance ; lorsque les cellules
sont arrivées à destination , le programme de synthèse de la
protéine N-CAM reprend ; les cellules qui possèdent à nouveau
N-CAM à leur surface se réagrégent pour former la glande
médullosurrénale et les ganglions nerveux d’où naîtront les
nerfs sympathiques .
C. Les cadhérines
(Calcium-dépendantes)
C’est une autre famille de molécules d’adhésion
(glycoprotéines), différentes des CAM par leur structure et
nécessitant la présence de calcium pour assurer la liaison
intercellulaire (une trentaine) . On peut distinguer
notamment:
- la E-Cadherine (épithélium )
- la N-Cadherine ( système nerveux , cristallin )
- la P-Cadherine (placenta)
La E-Cadhérine est aussi dénommée L-CAM (liver cell adhesion
molecule) car elle a été isolée du foie embryonnaire. Elle est
aussi nommée uvomoruline car elle assure la compaction de
l’embryon au stade morula. La L-CAM est également la protéine
qui unit les faisceaux d’actine entre deux cellules au niveau
des ceintures d’adhésion.
Les cadhérines se lient au cytosquelette (actine
essentiellement) par des protéines de couplage dont l'-caténine.
Lorsque les cellules du tube neural se séparent du
neurectoderme , les cellules perdent L-CAM et se mettent à
exprimer de la N-Cadhérine selon le déroulement d’un programme
morphogénétique très précis . Les cellules cancéreuses perdent
l’expression de la E-cadhérine; elles deviennent alors
mobiles, traverse la lame basale et envahissent la matrice
extra-cellulaire.
D. Les intégrines
Cette famille de protéines contribue à l’attachement des
cellules à la lame basale et à la matrice extracellulaire;
elles se comportent comme des récepteurs de signaux de
l’environnement. Elles sont abondantes mais leur affinité au
ligand est relativement faible (différence avec les récepteurs
hormonaux). Elle forme un véritable tissu Velcro.
Les intégrines (plus de 20) sont composées de chaînes alpha (14
types) et beta (9 types) qui s’assemblent indépendamment (ex
alpha2 beta4, alpha5 beta6 etc...). Les intégrines se lient à des protéines (laminine,
fibronectine, collagène IV..) ou des constituants
polysaccharidiques (protéoglycanes, heparan sulfate...) de la
matrice. La liaison au ligand est dépendante du calcium ou du
magnésium. Chaque intégrine possède une spécificité pour un
ligand:
ex: - alpha5 beta1 est un récepteur de la fibronectine; alpha6
beta1 est
un récepteur de la laminine
- alphaL beta2 ou LFA1 (lymphocyte function associated) permet au
lymphocyte d’adhérer aux cellules endothéliales et de
traverser la paroi des vaisseaux. La perte de LFA1 entraîne un
déficit immunitaire.
- des intégrines à chaînes ß 3 servent pour l’adhésion de la
plaquette sanguine au fibrinogène, (début de l’hémostase
plaquettaire). La thrombasthénie de Glanzmann, une maladie
hémorragipare, est liée à une mutation des chaînes beta3.
Les intégrines sont des adaptateurs transmembranaires:
l’extrémité beta se lie à l’actine du cytosquelette par la taline
et l'alpha-actinine, initiant la formation de points de contact
focaux. Les intégrines permettent l’orientation du
cytosquelelte selon celle des fibres de la matrice
extracellulaire.
La phosphorylation de la chaîne beta1 précède la mitose; la
cellule est moins adhérente au support et s’arrondit; ceci
permet la séparation des deux cellules filles. Dans certaines
cellules cancéreuses, la chaîne beta1 est phosphorylée en
permanence; la cellule migre plus rapidement dans les tissus
adjacents ce qui permet le phénomènes d’invasion et la
formation de métastases.
E. Les sélectines
Certaines cellules sanguines doivent sortir par diapédèse du
compartiment vasculaire (lymphocytes, polynucléaires,
macrophages) pour débarrasser les tissus des bactéries et des
virus. Les cellules ralentissent en se liant faiblement à des
protéines des cellules endothéliales, les sélectines. Ces
protéines sont des lectines (glycoprotéines) qui reconnaissent
une séquence glucidique d'une autre glycoprotéine ou d'un
glycolipide située sur la cellule sanguine. La liaison dépend
du calcium. Les sélectines ne sont exprimées à la surface de
la membrane que dans les cellules endothéliales des zones
inflammatoires (rôle des cytokines: interleukine 1, TNF
...). Il y a coopération entre sélectines (arrêt cellulaire)
et intégrines (attachement et coopération avec la cellule
endothéliale pour le passage intercellulaire)
II. Les structures d’adhésion
L’organisme est constitué
d’organes (coeur, foie, rein...); chaque organe est constitué
de différents tissus; les tissus sont composés de différentes
variétés de cellules différenciées (exemple l'épithélium
intestinale comporte des entérocytes, des cellules mucipares,
des cellules neuro-endocrines).
A. le tissu épithélial ou épithélium : dans un feuillet
épithélial, les cellules sont fortement attachées les unes aux
autres ; il y a très peu de substance intercellulaire. On peut
appeler ce tissu une feuille épithéliale car elle fine et
résistante. Les cellules ayant une même fonction doivent
s’associer entre elles par des mécanismes d’adhésion
intercellulaire spécifiques.
B. les cellules conjonctives sont dispersées dans une
matrice extracellulaire et forment le tissu conjonctif. Dans
le tissu conjonctif, l’espace est occupé principalement par un
réseau de fibres ( le collagène, l’élastine) qui supporte les
contraintes mécaniques imposées au tissu. Les cellules sont
rares, dispersées et accrochées aux fibres . Il y a peu de
contacts intercellulaires. Néanmoins certains éléments des
tissus conjonctifs sont différenciés (muscle, tendons..)
C. les cellules des épithéliums doivent rentrer en
contact avec la matrice extracellulaire du tissu conjonctif
sous-jacent grâce à des mécanismes précis de jonction
cellules-matrice.
Les jonctions cellulaires sont difficiles à étudier en
microscopie optique. Par contre elles peuvent être visualisées
par la microscopie électronique (technique standard ou
cryofracture). Ces techniques ont montré que les régions
d’adhésion des membranes plasmiques étaient des structures
hautement spécialisées. On distingue trois types de jonctions
intercellulaires:
- Les jonctions étanches qui assurent l’imperméabilité de la
feuille épithéliale.
- Les jonctions adhérentes qui assurent la cohésion mécanique
des cellules. Ce sont les ceintures adhérentes , les
desmosomes ponctuels et les hémidesmosomes.
- Les jonctions communicantes qui assurent le passage de
molécules d’une cellule à l’autre .
- De plus, les membranes cellulaires sont imbriquées en de
multiples interdigitations.
1) Les jonctions étanches (ou jonctions
occlusives ou serrées, ou tight junctions ou zonula occludens
) :
Les épithéliums servent de barrière très sélective entre
milieux de composition différente (ex: air et peau, lumière
digestive et sang, urine et sang ).
Les cellules épithéliales sont polarisées : le pôle apical est
tourné vers la lumière , le pôle latérobasal est tourné vers
le compartiment sanguin. Les liquides et les substances sont “
pompés” ou captés au niveau du pôle apical des cellules . Les
jonctions intercellulaires doivent être étanches pour éviter
l’absorption non contrôlée des substances de la lumière entre
les cellules . Il ne faut pas non plus que les éléments
circulants dans le compartiment sanguin puissent repasser vers
la lumière.
La microscopie électronique montre que les jonctions étanches
sont dues à l’accolement très serré des feuillets
phospholipidiques extérieurs de la bicouche des cellules
adjacentes. Les protéines permettant l'adhésion sont les
occludines, parmi lesquelles ZO-1 (zonula occludens, 1).
Les jonctions étanches sont organisées en un réseau anastomosé
qui fait le tour de la cellule . Les jonctions étanches sont
situées prés du pôle apical des cellules. Elles séparent deux
domaines membranaires distincts par leur composition en
lipides et en protéines: les domaines apicaux et baso-latéraux
. Les enzymes sont différentes entre les deux domaines (par
exemple localisation exclusive de la Na/K ATPase dans le
domaine baso-latéral de la cellule intestinale) . Les
phospholipides peuvent diffuser rapidement à l’intérieur de
chaque domaine membranaire mais pas d’un domaine à l’autre.
Dans certains cas la perméabilité des jonctions étanches peut
être régulée :
ex : les jonctions serrées de l’épithélium vésical peuvent
laisser plus ou moins passer l’eau qui peut être réabsorbée de
la vessie vers le sang .
ex: les jonctions étanches de l’intestin peuvent laisser
passer partiellement des acides aminés ou des monosaccharides:
transport paracellulaire
Les jonctions étanches peuvent être rendues perméables par un
chélateur du calcium
et du magnésium ( EDTA ) ou par l’action d’enzyme
protéolytique ( trypsine ). L'imperméabilité des jonctions est
mesurée en chambre bi-compartimentée où passe un courant
électrique. La résistance augmente si le feuillet épithélial
est strictement imperméable.
2) Les jonctions adhérentes (ou
jonctions d’ancrage ou zonula adherens ou anchoring junctions)
Ces jonctions existent sous plusieurs formes. Leur rôle est
d’assurer la solidité et la cohésion du feuillet épithélial.
Elles connectent aussi l’épithélium à la matrice
extracellulaire sous jacente.
Dans les épithéliums on peut mettre en évidence une ceinture
d’adhésion située sous la zone des jonctions étanches. C’est
une sorte de desmosome qui serait continu tout autour de la
cellule; en fait la ceinture d’adhésion diffère d’un desmosome
par sa composition biochimique : la ceinture est formée de
faisceaux d’actine qui font le tour de la cellule ; une
glycoprotéine d’adhésion intercellulaire ( la E-cadhérine)
assure la cohésion entre les faisceaux d’actine de deux
cellules adjacentes. La cohésion des zonula adherens est
dépendante du calcium.
La contraction des faisceaux d’actine de la ceinture
d’adhésion joue un rôle au cours de la morphogenèse de
l’embryon ( formation du tube neural ).
La cohérence des cellules est renforcée par les
interdigitations qui emboîtent les cytoplasmes les uns dans
les autres.
* Les desmosomes :
Ce sont des points de contact focaux entre les cellules ( rôle
de rivets ou de “boutons-pression” ). Ils sont abondants dans
les tissus soumis à des contraintes mécaniques (épithéliums,
en particulier la peau ). Les desmosomes servent de point
d’ancrage pour les filaments intermédiaires (kératine dans les
épithéliums, desmine dans la coeur , vimentine dans le tissu
nerveux) . Les faisceaux de filaments se correspondent d’une
cellule à l’autre par l’intermédiaire des desmosomes ; ceci
forme des travées transcellulaires qui rigidifient
l’épithélium selon des lignes de tension .
En microscopie électronique, les desmosomes sont constitués
d’une plaque dense sous-membranaire (la desmoplakine ) et de
matériel intercellulaire protéique filamenteux ( la
desmogléine, en fait des cadhérines ). Les filaments
intermédiaires viennent s’insérer de façon latérale dans la
plaque dense.
Dans la maladie de peau nommée pemphigus, on observe un
décollement de l’épiderme et la formation de bulles cutanées;
cette maladie est due à des autoanticorps dirigés contre les
glycoprotéines filamenteuses des desmosomes.
* Les hémi-desmosomes ont la même fonction que les
desmosomes mais ils sont différents sur le plan chimique. A la
différence des desmosomes où les faisceaux de kératine
s’attachent de façon latérale à la plaque dense, les faisceaux
de kératine s’attachent de façon terminale dans les
hémi-desmosomes. Les hémi-desmosomes sont situés au pôle basal
de la cellule et servent de point d’ancrage sur la lame basale
du tissu conjonctif ( treillis de fibres de collagène IV et de
laminine). Les molécules d’attachement sont des intégrines (α
6 ß 4).
3) Les jonctions communicantes ( ou jonctions ouvertes ; gap junctions en anglais )
* Ces jonctions permettent aux petites molécules hydrophiles
de passer directement d’une cellule à l’autre. Ces jonctions
assurent le couplage métabolique et électrique des cellules.
L’existence de ce type de jonction a été mise en évidence par
des expériences électrophysiologiques ou par injection de
traceurs fluorescents. Les jonctions gap assurent un couplage
électrique rapide entre les cellules adjacentes.
Les molécules doivent avoir un poids moléculaire <1500 daltons
pour passer au travers des jonctions gap. Le diamètre des
jonctions est donc au maximum égal à 1,5 nm. Les molécules
passant au niveau des gap sont les ions, les oses, les acides
aminés, les nucléotides.
Les macromolécules (protéines, acides nucléiques,
polysaccharides) ne peuvent pas traverser les jonctions gap.
* En microscopie électronique de transmission, les gap sont
des zones où les membranes de deux cellules sont très
étroitement accolées , avec un interstice intercellulaire
dense aux électrons .
En coupe sagittale ( cryofracture ), on observe des structures
protéiques rondes , avec un canal dense au centre ( structure
de type pore ). Il y a quelques centaines de pores par plaque.
Chaque pore est constitué de deux structure protéiques (connexons),
insérées dans la membrane plasmique; les connexons s’accolent
entre eux quand la jonction cellulaire s’établit. Chaque
connexons est formé de 6 molécules de protéines identiques: la
connexine.
* les jonctions gap permettent des échanges métaboliques entre
cellules adjacentes
- exemple des mutants déficients en thymidine kinase. Cette
enzyme catalyse la phosphorylation de la thymidine en
thymidine triphosphate (qui sera utilisée pour la synthèse
d’ADN ). Les cellules mutantes, déficientes en thymidine
kinase , meurent. Si les cellules mutantes sont cocultivées
avec les cellules de phénotype sauvage (non mutées), elles
peuvent survivre et incorporer de la thymidine. On en déduit
que la thymidine triphosphate (à laquelle la membrane
plasmique est normalement imperméable) est passée dans les
cellules mutantes par des jonctions de type gap.
* Les jonctions gap jouent un rôle essentiel dans la
synchronisation des contractions cardiaques en assurant le
couplage ionique des cellules. Un flux de Ca++ passe d’une
cellule cardiaque à l’autre par les jonctions gap; ce type de
transmission de l’influx est bien plus rapide qu’une
transmission provoquée par une substance chimique (tel que
celui de la jonction neuromusculaire).
* Les jonctions gap permettent la survie des cellules
embryonnaires avant que ne se développe la vascularisation.
Les jonctions permettent également la diffusion de “molécules
informatrices “ qui sont des signaux de position pour les
cellules; l’embryon se polarise selon le gradient de
concentration de ces signaux de position; cette polarisation
joue un rôle essentiel dans la différentiation ultérieure des
tissus et organes. L’injection dans l’embryon d’anticorps
anti-jonctions gap perturbe l’organisation embryonnaire.
* La perméabilité des jonctions gap est régulée :
- Grâce à l’injection de colorant fluorescent, on montre que
l’ouverture des jonctions gap est régulée rapidement. Ainsi la
baisse du pH cytosolique ou l’augmentation du Ca++
intracellulaire (caractéristiques des cellules souffrantes)
ferment immédiatement les jonctions gap; ceci permet d’
exclure immédiatement les cellules mortes et d’éviter la
diffusion éventuelle d’une substance toxique d’une cellule à
l’autre.
- Dans le foie le glycogène peut être dépolymérisé en glucose
sous l’influence du glucagon . La fixation du glucagon sur un
récepteur membranaire entraîne la formation d’AMP cyclique (AMPc)
à partir de l’ATP . L’AMPc a deux impacts :
- il accélère le catabolisme du glycogène en activant l’enzyme
responsable
- il active la phosphorylation des protéines des jonctions
gap, ce qui augmente leur perméabilité à l’AMPc; ainsi la
diffusion du messager est facilitée : il y a amplification du
signal hormonal du glucagon .
4- Coopération entre structures et
molécules d'adhésion :
Les mécanismes jonctionnels sont les desmosomes, la ceinture
d’adhésion, les jonctions étanches et les jonctions gap .
Les mécanismes non jonctionnels sont représentés par les
molécules d’adhésion intercellulaires qui ne forme pas de
structure définie individualisable en microscopie
électronique.
Le rôle de ces deux mécanismes est différent ; les processus
jonctionnels relativement fixes et solides sont prédominants
dans les tissus adultes; les processus non jonctionnels, plus
labiles, sont prédominants dans l’embryon ; ils permettent des
contacts cellulaires transitoires et remodelables; ils peuvent
initier l’adhésion cellule-cellule avant l’établissement des
processus jonctionnels définitifs
REPRODUCTION COMPLETE OU PARTIELLE INTERDITE