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La cellule, ses organites et leurs fonctions La cellule, ses organites et leurs fonctions Les molécules d'adhérence Les molécules d'adhérence

D’après http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.103.b3/index.htmD’après http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.103.b3/index.htm

Dans leur majorité les cellules des animaux pluricellulaires sont organisées en ensembles coopératifs appelés tissus, qui s'associent à leur tour selon diverses combinaisons en unités fonctionnelles de plus grandes dimensions : les organes. Les cellules des tissus sont habituellement en contact avec un réseau complexe de macromolécules extracellulaires sécrétées : la matrice extracellulaire. Les cellules d'un tissu sont également maintenues en place par adhérence directe des cellules entre elles. Toutes ces interactions sont dues à des protéines membranaires spécialisées : les molécules d'adhérence. Elles jouent un rôle très important à la fois dans le développement et l'intégrité anatomique des tissus. Cette ressource établit la notion de l'interaction cellule-environnement. Elle répertorie les molécules d'adhérence impliquées dans les interactions cellule-cellule et cellule-matrice extracellulaire. Elle répertorie également les composants de la matrice extracellulaire.

• Connaître les molécules d'adhérence.

• Connaître les composants de la matrice extracellulaire.

• Comprendre l'importance de l'interaction cellule-cellule et cellule-matrice extracellulaire

o dans la migration des cellules immunitaires ;

o au cours de l'assemblage des tissus ;

o dans le maintien de l'intégrité des tissus.

Tels sont les objectifs à atteindre dans ce cours.

Introduction Dans leur majorité les cellules des animaux pluricellulaires sont organisées en ensembles coopératifs appelés tissus, qui

s'associent à leur tour selon diverses combinaisons en unités fonctionnelles de plus grandes dimensions : les organes. Les cellules des tissus sont habituellement en contact avec un réseau complexe de macromolécules extracellulaires sécrétées : la matrice extracellulaire.

Figure 1. Différents types de matrice extracellulaire

Cette matrice aide à assurer la cohésion cellulaire et tissulaire et constitue une trame structurée à l'intérieur de laquelle les cellules peuvent migrer et interagir les unes avec les autres. Les cellules d'un tissu sont également maintenues en place par

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l'adhéren

es rotéines transmembranaires capables de fixer un ligand. Cependant, à l'inverse des récepteurs aux hormones et

neurotra

ar des exemples olécules d'adhérence, des composants de la matrice extracellulaire et de leurs interactions.

ADHERENCE CELLULE-CELLULE

Le rôle des molécules d'adhérence dans l'assemblage cellulaire Les molécules d ire de s'attacher au bon

moment à une cellule qu'

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l'adhéren

es rotéines transmembranaires capables de fixer un ligand. Cependant, à l'inverse des récepteurs aux hormones et

neurotra

ar des exemples olécules d'adhérence, des composants de la matrice extracellulaire et de leurs interactions.

ADHERENCE CELLULE-CELLULE

Le rôle des molécules d'adhérence dans l'assemblage cellulaire Les molécules d ire de s'attacher au bon

moment à une cellule qu'

ce directe des cellules entre elles. Toutes ces interactions sont dues à des protéines membranaires spécialisées : les molécules d'adhérence. Elles jouent un rôle très important à la fois dans le développement et l'intégrité anatomique des tissus.

Dans la plupart des cas, les molécules d'adhérence peuvent être considérées comme des récepteurs, c'est-à-dire d

ce directe des cellules entre elles. Toutes ces interactions sont dues à des protéines membranaires spécialisées : les molécules d'adhérence. Elles jouent un rôle très important à la fois dans le développement et l'intégrité anatomique des tissus.

Dans la plupart des cas, les molécules d'adhérence peuvent être considérées comme des récepteurs, c'est-à-dire d

ppnsmetteurs présents à la surface cellulaire, les ligands qui interagissent avec les molécules d'adhérence sont

généralement insolubles. Ce sont souvent les molécules d'adhérence elles-mêmes (présentées par les cellules adjacentes) ou encore des composants de la matrice extracellulaire. Lorsqu'il s'agit d'une interaction entre deux molécules d'adhérence identiques (interaction homophile), on parle du récepteur et de son contre-récepteur. La molécule d'adhérence qui se comporte comme un récepteur, émet des signaux intracellulaires qui modulent des processus intracellulaires (outside-in signalling) (voir la figure 2 ci-dessous).

nsmetteurs présents à la surface cellulaire, les ligands qui interagissent avec les molécules d'adhérence sont généralement insolubles. Ce sont souvent les molécules d'adhérence elles-mêmes (présentées par les cellules adjacentes) ou encore des composants de la matrice extracellulaire. Lorsqu'il s'agit d'une interaction entre deux molécules d'adhérence identiques (interaction homophile), on parle du récepteur et de son contre-récepteur. La molécule d'adhérence qui se comporte comme un récepteur, émet des signaux intracellulaires qui modulent des processus intracellulaires (outside-in signalling) (voir la figure 2 ci-dessous).

Figure 2. Contacts multiples d'une cellule avec son environnement Figure 2. Contacts multiples d'une cellule avec son environnement

PP spécifiques, les paragraphes qui suivent traitent des différentes mspécifiques, les paragraphes qui suivent traitent des différentes m

'adhérence sont à la base du mécanisme qui permet à une cellule embryonnaelle aura identifiée (formant ainsi un tissu puis un organe). 'adhérence sont à la base du mécanisme qui permet à une cellule embryonnaelle aura identifiée (formant ainsi un tissu puis un organe).

Les molécules d'adhérence intercellulaire CAM dans le développement de la rétine embryonnaireLes molécules d'adhérence intercellulaire CAM dans le développement de la rétine embryonnaire

Une expérience déjà ancienne démontre le rôle des molécules d'adhérence dans l'assemblage des tissus : des cellules de rétine embryonnaire de poulet (stade embryonnaire de 10 jours) expérimentalement dissociées se réassocient spontanément en

environ

nc un rôle dans la reconnai

une seule fois en hélice-

la30 minutes en amas cellulaires lorsqu'elles sont mises en culture. Certains anticorps (plus précisément leurs fragments

Fab1), dirigés contre des molécules membranaires de ces cellules sont capables d'inhiber ce réassemblage.

Après une procédure de purification, ces anticorps se sont avérés reconnaître une protéine transmembranaire d'un poids moléculaire de 140 kDa, qu'on appelle « neural cellular adhesion molecule » (N-CAM) qui joue do

ssance des cellules entre elles. Les N-CAMs établissent des interactions homophiles : les N-CAMs d'une cellule se lient aux N-CAMs des cellules adjacentes (voir figure 4 ci-dessous).

La protéine N-CAM est codée par un seul gène mais grâce aux épissages alternatifs de l'ARNm elle peut se présenter sous trois formes :

• 180 et 140 kDa, qui sont des protéines transmembranaires dont la chaîne polypeptidique traverse la membrane

• et une troisième forme de 120 kDa qui est ancrée dans la membrane par un lipide (protéine membranaire intrinsèque).

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En raisosuperfamille des lines (anticorps). Cette famille comprend d'autres membres tels que I-CAM-1,2,3 et V-CAM (voir le

n de sa structure moléculaire, la N-CAM est membre d'une famille de molécules d'adhérence qui appartient à la immunoglobu

paragraphe « circulation des cellules immunitaires »). Bien que l'expression de N-CAM ait d'abord été démontrée dans les neurones, elle a été retrouvée ailleurs, par exemple dans les cellules musculaires et les lymphocytes.

Figure 3. Les molécules d'adhérence sont indispensables à l'association cellulaire. Cliquez sur

http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.103.b3/content/images/fig03a.jpg pour plus de détail sur l'isolement des fragments d'IgG

Figure 4. Molécule d'adhérence N-CAM

Les molécules d'adhérence dans la compaction embryonnaire

Dans le développement embryonnaire de la souris (par exemple), il y a un moment ou l'embryon se compacte : il uva au stade morula (http://www.ulysse.u-c

bhange de structure en passant du stade ordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.103.b3/content/anim/anim05.jpg )

(http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.103.b3/content/anim/anim05.swf )

Figure 5. La molécule d'adhérence cadhérine réalise la compaction embryonnaire.

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Ce processus est dépendant des molécules d'adhérence et de la présence de Ca2+. Comme précédemment, des anticorps reconnaissant certaines molécules présentes sur la membrane cellulaire sont capables d'inhiber cette transition. La molécule d'adhérence impliquée dans ce processus est la E-cadhérine (Ca2+-dependent adhesion). Les cadhérines jouent donc un rôle important dans la reconnaissance sélective des cellules embryonnaires et également dans l'établissement de leur polarité cellulaire. Les cadhérines sont des molécules d'adhérence dont la chaîne polypeptidique passe la membrane une seule fois. Elles ont un poids moléculaire d'environ 80 kDa. Comme les CAMs elles sont constituées de cinq modules répétitifs (les domaines Cad), dont trois sont impliqués dans la liaison au Ca2+. Les cadhérines se lient entre elles selon le mode homophile. Elles forment une famille comprenant 12 membres (à ce jour). A l'intérieur de la cellule, les cadhérines sont reliées au cytosquelette par deux intermédiaires : la β-caténine (poids moléculaire de 85 kDa) et le dimère d'α-actinine (poids moléculaire de 100 kDa) (voir aussi « la zonula adherens » dans cette ressource). La fixation au cytosquelette renforce la liaison cellule-cellule.

Figure 6. La cadhérine, molécule d'adhérence connectée au cytosquelette

Le rôle des molécules d'adhérence dans la circulation des cellules immunitaires Les sélectines, intégrines, CAM et la migration transendothéliale

Les molécules d'adhérence sont également à la base des processus qui permettent la circulation des cellules du système immunitaire dans l'ensemble des organes. Le phénomène d'inflammation localisé au site de lésion ou d'infection attire les cellules immunitaires compétentes (les leucocytes tels que monocytes, lymphocytes et granulocytes) nécessaires au déclenchement de la réparation tissulaire et de la lutte contre les agents pathogènes. En effet, au niveau du site d'inflammation, les leucocytes quittent la circulation sanguine et s'infiltrent dans le tissu enflammé.

Figure 7. Phases de la migration transendothéliale des leucocytes

Ce processus débute par une liaison faible entre les leucocytes et les cellules endothéliales (vasculaires), liaison où

interviennent les sélectines (E- et P-sélectine) et les motifs glucidiques (jouant le rôle de ligands comme sialyl LewisX.). Dans les circonstances normales, cette faible interaction, combinée au flux sanguin, résulte en un mouvement de roulement des leucocytes à la surface de l'endothélium.

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Figure 8. La structure glucidique sialyl LewisX du leucocyte forme un lien faible avec la sélectine de la cellule endothéliale

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Cependant, au site de l'inflammation, les cellules endothéliales relarguent des chémokines. Ces molécules ont pour rôle d'immobiliser les leucocytes roulants et de favoriser leur traversée de l'endothélium. Pour cela elles activent, grâce à un signal intracellulaire, les intégrines, autres molécules d'adhérence présentes à la surface des leucocytes. Les intégrines (αΛβ2) activées se fixent sur les I-CAM-1 (qui sont fortement exprimées sur l'endothélium au site de l'inflammation) provoquant ainsi une immobilisation totale du leucocyte. En se déformant, celui-ci migre vers le tissu en passant entre les cellules endothéliales. Une fois dans le tissu, les leucocytes assurent deux rôles ; reconstruire le tissu endommagé et en cas de lésion septique, éliminer les agents pathogènes. L'accumulation des leucocytes est la résultante de deux phénomènes : surexpression des sélectines et I-CAMs sur les cellules endothéliales et relargage des chémokines par ces cellules uniquement au site de l'inflammation.

Figure 9. L'intégrine activée du leucocyte se lie fortement à l'ICAM-1 de la cellule endothéliale.

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Il existe plusieurs sélectines (par exemple sélectine-E, -P et -L d'un poids moléculaire d'environ 90 kDa) qui interagissent avec les motifs glucidiques présents sur plusieurs ligands. Il existe également plusieurs I-CAMs (formes 1-3 d'un poids moléculaire compris entre 29 et 55 kDa). Les I-CAMs établissent des interactions hétérophiles avec les intégrines.

Les intégrines forment une grande famille de molécules d'adhérence. On les trouve sous forme d'hétérodimères composés de sous-unités α et β (poids moléculaire d'environ 120 kDa et 90 kDa) qui elles-mêmes présentent plusieurs types susceptibles de former diverses combinaisons (α5β1 ou αLβ2 etc.) Sur les leucocytes mais aussi sur les plaquettes circulant dans le sang, les intégrines se trouvent dans un état inactif (non reconnaissance de leur ligand). Leur activation nécessitera la présence de chémokines. En revanche, dans le cas des cellules assemblées en tissu, les intégrines sont toujours dans un état actif et permettent donc le bon ancrage cellulaire (voir la section sur les molécules d'adhérence interagissant avec la matrice extracellulaire, ainsi que la figure 22).

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Le rôle des molécules d'adhérence dans la cohésion tissulaire Introduction

La structure tissulaire est activement maintenue par un principe d'affinité entre cellules. Les molécules d'adhérence forment la base de cette affinité spécifique. Les tissus conjonctifs d'une part, et épithéliaux d'autre part, représentent deux extrêmes dans lesquels la matrice et les systèmes d'adhérence intercellulaire jouent des rôles structuraux complètement différents.

Dans les tissus conjonctifs, la matrice extracellulaire est abondante et supporte la plus grande partie des tensions auxquelles les tissus sont soumis. Les interactions entre cellules sont limitées, du fait de leur distribution lâche. Dans les épithéliums qui tapissent toutes les cavités et les surfaces externes du corps (et également dans les endothéliums), les cellules sont étroitement associées en feuillets. La matrice extracellulaire est peu abondante, constituant une couche fine, la lame basale, sous-jacente aux cellules. Les cellules elles-mêmes, plutôt que la matrice, subissent la plus grande partie des tensions. C'est grâce aux jonctions cellulaires spécialisées que l'épithélium et l'endothélium sont suffisamment résistants pour constituer une barrière capable de séparer deux compartiments (revoir la figure 1).

Epithélium et endothélium : L'épithélium peut se définir comme un assemblage de cellules (en couches plus au moins nombreuses) qui constitue une barrière entre l'organisme et son environnement. Exemples : la peau, la muqueuse de la vessie et du tube digestif sont recouvertes par des épithéliums. L'endothélium est le revêtement interne monocouche des vaisseaux sanguins et lymphatiques, et constitue une barrière entre deux compartiments corporels.

Les jonctions intercellulaires des cellules épithéliales peuvent être classées en trois groupes (selon leur ultrastructure et leur fonc on) : ti

• les jonctions étanches, « jonctions serrées » ou « zonula occludens » capables de limiter la perméabilité de l'épithélium (ou de l'endothélium) ;

• les jonctions d'ancrage, « zonula adherens » et « desmosomes », qui permettent l'attachement mécanique des cellules entre elles ;

• les jonctions communicantes, « jonctions de type gap », qui permettent le passage de signaux chimiques ou électriques entre les cellules.

Figure 10. Différentes types de jonctions de la cellule épithéliale (ici entérocyte) avec son environnement

Les jonctions serrées

L'étanchéité de l'épithélium et de l'endothélium est assurée par les jonctions serrées. Elles constituent un rapprochement

ulaire). Cette barrière oblige le soluté à transiter au travers du feuillet cellulaire grâce à des transporteurs membranaires sélectifs (transport transcellulaire). La jonction n'est pas entièrement étanche : selon la nature du tissu, ce

érence. La première est l'occludine. (latin occludere = enfermer), protéine transmembranaire d'un poids de 64 kDa, con uclaudere = fermer oids de 22 kDa, constituée également d'une chaîne polypeptidique qui

étroit et localisé des membranes de deux cellules voisines qui limite considérablement le passage des solutés par l'espace intercellulaire (barrière paracell

rtains solutés peuvent ou non la franchir. La jonction est due à des interactions homophiles qui concernent plusieurs molécules d'adh

stit ée d'une chaîne polypeptidique qui traverse quatre fois la membrane. La deuxième est la claudine (latin ), protéine transmembranaire d'un p

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traverse quat oune même joncti possibilités de combinaison des claudines pourraient expliquer les différences dans la perméabilité des jonctions serrées selon les tissus. La troisième protéine est JAM (junctional adhesion molecule), une protéine d'un poids m

re f is la membrane. La claudine fait partie d'une famille de 20 membres, dont plusieurs peuvent être présents dans on. Les nombreuses

oléculaire de 33 kDa et dont la chaîne polypeptidique traverse la membrane une seule fois.

Figure 11. Détail d'une jonction serrée

Occludine, claudines et JAM s'assemblent pour former un réseau de fibrilles qui ceinture le domaine apical des cellules

épithéliales (ou le domaine membranaire latéral des cellules endothéliales). Les jonctions serrées sont liées avec des protéines intracellulaires comme ZO-1 et ZO-2 (zonula occludens) qui à leur tour sont liées au cytosquelette (actine). Cette interaction (avec le cytosquelette) détermine la localisation de la jonction au domaine apical de la cellule.

Les claudines 3 et 4 peuvent se comporter comme des récepteurs d'une entérotoxine bactérienne (CPE) produite par Clostridium perfringens. La nourriture contaminée par cette bactérie cause une diarrhée due à une augmentation de la perméabilité paracellulaire et une perturbation profonde de la réabsorption aqueuse au niveau du tube digestif. Au départ, c'est la liaison de la toxine qui fait disparaître les claudines et change profondément la structure des fibrilles des jonctions serrées des entérocytes.

Les zonula adherens et les desmosomes

Ces jonctions d'ancrage permettent à des groupes de cellules d'agir comme des unités structurales solides en associant les éléments du cytosquelette d'une cellule à ceux d'une autre. Les zonula adherens sont des sites de liaison pour les filaments d'actine. Les desmosomes (du grec de desmos : lien) sont des sites de liaison pour les filaments intermédiaires (kératine dans les cellules épithéliales). Les deux types de jonctions sont composés de molécules transmembranaires d'adhérence : les cadhérines. Nous avons déjà vu les cadhérines quand nous avons parlé des interactions entre cellules dans l'assemblage des tissus ; ici nous voyons que les cadhérines sont aussi des constituants de structures complexes et définitives (que l'on peut voir en microscopie électronique).

Dans le cas des zonula adherens la cadhérine (forme E-cadhérine) est d'abord liée à la β-caténine, protéine de 80 kDa, qui sert donc d'intermédiaire entre elle et l'actine. Les zonula adherens connectées au cytosquelette forment la ceinture d'adhérence dans le feuillet épithélial. Cette ceinture renforce l'intégrité tissulaire (voir l'animation de la figure 12 ci-dessous).

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Figure 12. Détail d'une jonction adhérente : la zonula adherens.

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Les desmosomes contiennent aussi de la cadhérine sous forme de desmogléine (poids moléculaire 160 kDa) et de desmocolline (poids moléculaire

w.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.103.b3/content/anim/anim10a.swf

Un exemple montre l'importance de ces

110 kDa), liée cette fois à la plakoglobine (une protéine de 100 kDa qui ressemble à β-caténine), elle-même liée à la desmoplakine (d'un poids moléculaire de 285 kDa) qui fixe les filaments intermédiaires. Les filaments intermédiaires forment une charpente structurale pour le cytoplasme et assurent sa résistance aux forces latérales (voir l'animation de la figure 13 ci-dessous).

Figure 13. Détail d'une jonction adhérente : le desmosome.

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complexes jonctionnels étroitement liés au cytosquelette. Dans les tumeurs épithéliales les cadhérines perdent leur fonction et, les cellules ne construisant plus de jonctions intercellulaires solides, sont plus sensibles aux signaux de prolifération (formation de polypes) et deviennent susceptibles de migrer et donc d'envahir d'autres tissus (processus métastatique).

Les jonctions de type gap http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.103.b3/content/anno0401.htm

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ADHERENCE CELLULE-MATRICE La matrice extracellulaire

L'espace extracellulaire (espace entre les cellules) est rempli par un enchevêtrement complexe de macromolécules qui constituent la matrice extracellulaire. Certaines cellules sont spécialisées dans la production de cette matrice. Par exemple, les fibroblastes qui construisent l'essentiel des tissus conjonctifs, les chondroblastes qui élaborent le cartilage hyalin, les ostéoblastes qui produisent l'os et les synoviocytes qui sont responsables de la production du liquide synovial dans les articulations. La matrice extracellulaire est composée d'un ensemble de polysaccharides et de protéines. Les polysaccharides sont des glycosaminoglycanes (GAG) qui sont généralement reliés de façon covalente à une protéine pour former des protéoglycanes.

Dans la composante protéique de la matrice, on distingue : un premier groupe, constitué par le collagène et l'élastine, essentiellement responsables de la structure de la matrice et un second groupe, moins abondant, constitué par la fibronectine et la laminine. Ce dernier est plutôt impliqué dans l'organisation de sa structure (formation d'une trame) et dans l'adhérence cellule-matrice.

Les chaînes de glycosaminoglycanes (GAG)

Les chaînes de glycosaminoglycanes (GAG)

Les glycosaminoglycanes sont de longues chaînes composées d'unités disaccharidiques répétitives. Un des deux résidus lucidiques est toujours un glucide aminé (N-acétylglucosamine ou N-acétylgalactosamine) et le second est habituellement un

acide uronique (glucuronique ou iduronique). Les GAG se répartissent en quatre types principaux :

3. l'héparane sulfate et

4. le kératane sulfate.

A l'exception de l'acide hyaluronique, tous les GAG sont liés de façon covalente à une protéine pour former des

Les GAG, particulièrement l'acide hyaluronique, forment des mailles qui leur permettent d'absorber de grandes quantités d'eau (grâce à leur charge). Ils 000-10 000 fois le volume initial. Cela crée une pression de gonflement, ou tur forces de compression. Dans le cas de

nes de plus de 50 000 répétitions peuvent exister, atteignant une longueur de 4 mm.

Quelque

g

1. l'acide hyaluronique (d'hyaloïde (humeur vitrée) et acide uronique),

2. la chondroïtine sulfate,

protéoglycanes (trois exemples de GAG sont présentés dans la figure 14).

constituent un gel d'un volume considérable, 1 gescence, qui permet à la matrice de résister aux

l'acide hyaluronique, les chaî

s exemples illustrent la contribution des GAG aux fonctions de la matrice extracellulaire

Le cartilage hyalin contient de l'acide hyaluronique, de la chondroïtine sulfate et du kératane sulfate (ces deux derniers

associés avec un noyau de protéines pour former l'aggrécane (poids moléculaire d'environ 250 kDa). L'aggrécane et un autre composant protéique du cartilage (protéine de liaison du cartilage) contiennent un domaine qui permet l'interaction avec l'acide hyaluronique. Les deux (protéine et GAG) constituent un formidable « absorbeur de chocs ». Dans la polyarthrite rhumatoïde, l'état inflammatoire chronique résulte en une perte de cartilage accompagnée d'une érosion de l'os avec pour résultat un mauvais fonction

es d'acide hyaluronique.

Les GAG ont aussi un rôle de la cicatrisation des tissus (voir aussi le paragraphe sur rès la coagulation du sang, le

ide hyaluronique. Il forme un échafaudage qui va servir de support aux cellules ucocytaires et aux fibroblastes pour reconstruire le nouveau tissu.

nement de l'articulation. La radiographie en figure 15 montre que les deux os se rapprochent suite à la perte de cartilage (ligne jaune).

Autres exemples, la crête du coq et le placenta dont la turgescence est permise grâce à la présence de quantités important

essentiel dans la migration cellulaire au cours de la morphogenèse etla protéine de liaison du cartilage). En cas de blessure, ap

premier produit qui entre dans la lésion est l'acle

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Figure 14. Glycosaminoglycanes de la matrice extracellulaire

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Figure 15. Composants du cartilage hyalin

Le collagène et l'élastine Le collagène

Environ un quart de la masse protéique d'un organisme humain, est due au collagène. Le collagène est la protéine structurale majeure qui forme des armatures, renforçant les structures telles que les tendons, la peau et les organes internes. Dans les os et les dents le collagène forme un matériau composite avec les sels minéraux (calcium et phosphate).

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Les collagènes constituent une famille de protéines fibreuses qui forment le composant principal de la peau et de l'os. Ils se présentent sous la forme de fibres (0,5 à 3µm de diamètre et 30µm de longueur), elles-mêmes constituées de fibrilles plus ou moins nombreuses. Chaque fibrille est un ensemble des structures hélicoïdales (molécules de collagène, d'environ 50 nm de diamètre et 300 nm de longueur). Chaque structure hélicoïdale est formée de trois chaînes polypeptidiques-α (poids moléculaire 100 kDa chacune) enroulées les unes autour des autres (à la manière des brins d'une corde).

q

Figure 16. Assemblage du collagène

our 25 gènes codant des isotypes de collagène ont été identifiés mais 15 isotypes seulement ont été retrouvés dans s tissus : types I, II, III... à XV. Chacun est une combinaison unique de trois chaînes α. Par exemple, le collagène I est

constitué

1. les collagènes fibrillaires, type I, II, III, V et XI ;

Les cellules peuvent se lier au collagène par l'intermédiaire de la molécule d'adhérence intégrine α2β1 qui reconnaît une séquence spécifique, glycine-phénylalanine-proline-glycine-acide glutamique-arginine, située dans le domaine α2−Ι du collagène.

Quelques exemples : les fibres de collagène rendent la lame basale solidaire du tissu conjonctif sous-jacent. Le collagène est aussi présent dans la matrice du cartilage (avec l'acide hyaluronique et la chondroïtine sulfate) pour résister aux forces de tension qui s'exercent dans les articulations.

A ce jle

de deux chaînes α1 et une α2 alors que le collagène II est constitué de trois chaînes α1 identiques. Les collagènes adoptent trois configurations :

2. les collagènes en feuillet (type IV, VIII et X) (voir figure « lame basale ») ;

3. les collagènes de liaison, type VI, VII, IX, XII et XIV (interaction avec d'autres composants de la matrice extracellulaire).

Matrice extracellulaire et résistance des matériaux Contrairement aux GAG, qui résistent aux forces de compression, les fibres de collagène forment des structures qui résistent aux forces de tension. Les forces de « tension et compression » sont les deux paramètres physiques essentiels à considérer lors de la construction des organismes. Les mêmes paramètres jouent un rôle dans la cohérence des matériaux de construction des bâtiments. Par exemple le béton-armé est très utilisé, car réunissant la qualité de résistance du béton à la compression et la qualité de résistance des tiges d'acier à la tension.

L'élastine

Le bon état de fonctionnement de la peau, des vaisseaux sanguins, des poumons et des tendons, est étroitement lié à leur élasticité, en plus de leur résistance à la tension. C'est un réseau de fibres élastiques présentes dans la matrice extracellulaire qui leur donne cette élasticité. Les composants principaux des fibres élastiques sont l'élastine et la fibrilline. L'élastine est une protéine très hydrophobe d'un poids de 68 kDa. Les fibres sont essentiellement composées de segments courts ui s'associent par des liais ysines dans le domaine hélicoïd ison pour laquelle ces fibres sont élastiques n'est pas encore complètement expliquée. Une hypothèse probable est que la protéine pourrait adopter plusieurs états en échange

ons l al riche en lysine de la protéine. La ra

ant l'énergie par entropie : fibres étirées sous haute énergie et basse entropie, fibres relaxées sous basse énergie et haute entropie.

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Figure 17. Elastine, composant de la lame élastique interne d'une artériole

La production d'élastine s'arrête autour de la puberté (c'est le début du vieillissement) mais grâce à sa stabilité, l'élastine

reste présente tout au long de la vie. Elle peut être dégradée par l'élastase, une enzyme relarguée par les granulocytes utrophiles au cours de la réaction inflammatoire. A cause de l'absence de synthèse d'élastine chez l'adulte, sa perte dans les

pathologiques telles que sténose artérielle ou emphysème pulmonaire (par exemple induits par le tabagisme), est réversible.

neconditions ir

La fibronectine et la laminine La fibronectine

La fibronectine contribue à la fois à organiser la matrice et à favoriser l'adhérence des cellules à la matrice extracellulaire. La fibronectine, constituée de deux sous-unités α et β (poids moléculaire d'environ 230 kDa chacune) réunies par une paire de ponts disulfure, forme un réseau fibrillaire. Grâce à l'épissage alternatif de l'ARNm, le même gène est à l'origine de plusieurs sous-unités. La protéine est essentiellement une association de trois types de domaines (I, II, III) qui se répètent plusieurs fois. Les différents domaines s'aménagent en sites d'interactions spécifiques avec d'une part les constituants moléculaires de la matrice extracellulaire (formation d'une trame) et d'autre part les cellules (par l'intermédiaire des intégrines). Un site important pour la fixation des intégrines est une séquence de trois acides aminés, arginine-glycine-acide aspartique (RGD), et se situe dans le domaine FIII10.

Figure 18. Fibronectine, composant de la matrice extracellulaire, et son interaction avec les intégrines

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La protéine est libérée dans le mil ire soluble. Le contact avec les intégrines linéarise la molécule, qui peut ainsi s'associer avec ses homologues et d'autres composants de la matrice extracellulaire. La

un rôle important dans le guidage des cellules lors des migrations embryonnaires chez les vertèbres astrulation et migration des cellules de la crête neurale). L'importance de la fibronectine est démontrée lors de la transgenèse

expérim

ieu extracellulaire sous forme globula

fibronectine joue(g

entale chez la souris : les embryons dépourvus du gène de la fibronectine ne dépassent pas le neuvième jour embryonnaire à cause d'un déficit dans le développement du mésoderme, du tube neural et des vaisseaux sanguins. Chez l'adulte, la fibronectine joue également un rôle central dans les processus de cicatrisation.

La laminine

La laminine est un gros complexe protéique flexible constitué de trois chaînes polypeptidiques, α (165 à 200 kDa), β (140 kDa) et γ (105 à 150 kDa). Douze formes différentes de laminine ont été caractérisées (α1−5, β1−3 et γ1−3), composant ainsi onze protéines différentes (par exemple, α1β1γ1 ou α2β1γ3 etc). Les trois chaînes forment une croix asymétrique possédant plusieurs sites d'interaction avec les cellules (par l'intermédiaire des intégrines α6β1 et α6β4 ) et avec les autres composants de la matrice extracellulaire (collagène type IV et héparane sulfate). La laminine est le constituant essentiel des lames basales.

Figure 19. Structure de la laminine et ses sites d'interaction avec des cellules et d'autres composants de la matrice

extracellulaire

Laminine et lame basale Dans certains tissus la matrice extracellulaire forme une couche fine compacte et résistante - la lame basale. On la trouve à la base de tous les feuillets épithéliaux et endothéliaux, elle entoure les cellules musculaires, les cellules adipeuses, les cellules de Schwann (qui forment la gaine de myéline entourant les axones des cellules nerveuses périphériques). D'autres part, comme dans le glomérule rénal et l'alvéole pulmonaire, la lame basale sert de filtre moléculaire. La lame basale est produite par les cellules qui s'appuient ensuite sur elle. Elle est constituée de collagène de type IV, de laminine et de protéoglycanes. Le collagène de type IV ne forme pas de fibrilles mais il forme un réseau.

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musculaire consécutive à l'absence d'un signal de survie qu'envoient les intégrines (en particulier l'intégrine α7β1) à l'intérieur de la cellule, lorsqu'elles se lient spécifiquement avec la laminine. Dans les nerfs périphériques, on trouve aussi la laminine-α2 qui joue un important rôle dans la formation de la gaine de myéline périaxonale. Parce qu'elle est responsable d'une myélinisation défectueuse, l'absence de laminine-α2, cause une perte de la stimulation musculaire. Dans la peau, les laminines 5 (α3β3γ2) et 6 (α3β1γ1) contribuent à la cohésion derme-épiderme, et des mutations de ces protéines favorisent l'apparition d'ampoules (observées chez les patients atteints d'épidermolyse jonctionnelle bulleuse).

e (EGF) (voir ressource sur « les récepteurs »). Quand les cellules adhéreneurent par un processus spécifique que l'on appelle mort programmée ou

ac

phénomène est mis en tumorales) survivent au détachement, échappent à l'apoptose, et ont ainsi la capacité de métastaser (coloniser d'autres sites dans l'organisme).

En dehors des points focaux d'adhérence, il existe d'autres structures où les intégrines sont impliquées dans l'adhérence des cellules épithéliales avec leur lame basale ; les hémi-desmosomes. Dans ce cas particulier, les intégrines (α6β4) sont liées

Figure 20. Représentation hypothétique des composants de la lame basale [Artwork : David Goodsell, Scripps Research Institute, La Jolla, USA]

Laminine et pathologie En effet une mutatioLa laminine-α2 est essentielle à l'intégrité musculaire. n dans la sous-unité α2, résultant en la perte d'une

lame basale structurée, est responsable de la dystrophie musculaire congénitale. Cette affection est due à la mort de la cellule

Molécules responsables de l'adhérence à la matrice extracellulaire

Les intégrines

Les intégrines interagissent avec le collagène, la laminine et la fibronectine et sont les molécules d'adhérence les plus impliquées dans l'interaction avec la matrice extracellulaire. Elles sont composées de deux sous-unités transmembranaires associées de façon non covalente que l'on appelle α et β (α1,2,3...et β1,2,3... et poids moléculaire d'environ 120 kDa et 90 kDa respectivement), avec plusieurs combinaisons possibles (voir la figure 21 ainsi que le paragraphe « circulation des cellules immunitaires » : http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.103.b3/content/cours03.htm ).

Dans les cellules constituant des tissus, comme les cellules épithéliales ou les fibroblastes, on trouve souvent l'intégrine α5β1, qui se lie à la fibronectine (revoir la figure 18), et l'α6β1 qui se lie à la laminine. La liaison des intégrines à leurs ligands est dépendante de cations bivalents extracellulaires (le Mn2+ ou le Ca2+). A l'intérieur de la cellule, les intégrines interagissent avec le cytosquelette. Leur nom dérive de leur fonction : elles forment la liaison entre la matrice extracellulaire et le cytosquelette (« intégration » entre les deux). Pour leur interaction avec la matrice extracellulaire, les intégrines sont assemblées en amas, formant ainsi un point focal d'adhérence. Du coté intracellulaire, ces amas ponctuels d'intégrines recrutent plusieurs type de protéines qui servent d'intermédiaires de liaison avec l'actine constituant le cytosquelette ; taline (230 kDa), vinculine (110 kDa) et α-actinine (100 kDa).

Les intégrines sont de véritables récepteurs. En effet leur liaison avec la matrice extracellulaire engendre des signaux cytoplasmiques importants pour la survie cellulaire et pour la réponse proliférative aux facteurs de croissance, comme le facteur épidermique de croissanc tes se dét hent de leur matrice extracellaire, elles m apoptose. On pense que ce

place pour éviter que les cellules ne métastasent. A l'inverse, les cellules transformées (cellules

aux filaments intermédiaires (kératine) du cytosquelette grâce à la plectine, molécule apparentée à la desmoplakine.

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Figure 21. Nombreuses sous-unités α et β des intégrines. Quelques unes de leurs combinaisons et de leur association à des

protéines spécifiques (ligands)

Figure 22. Aux points focaux d'adhérence, les intégrines font la liaison entre la matrice extracellulaire et le cytosquelette

Nous avons déjà évoqué un exemple de lien entre molécule d'adhérence et cytosquelette dans les jonctions d'ancrage impliquant la cadhérine. Dans ce cas particulier, c'est la β-caténine qui fait la liaison avec l'actine du cytosquelette. Dans le cas des intégrines, ce rôle est assumé par la vinculine. Vinculine et β-caténine font partie d'une même famille de protéines impliquées dans le pontage molécule d'adhérence - cytosquelette d'actine.

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La famille de protéines de liaison dite « cartilage link proteins »

Cette famille, caractérisée au départ dans le cartilage (d'où son nom), est spécialisée dans la liaison (non-covalente !) avec les glycosaminoglycanes et reconnaissable à un motif moléculaire « domaine de liaison » (link domain) capable de se lier aux résidus glucidiques des GAG. Certaines protéines de cette famille sont impliquées dans les seules interactions matrice-matrice, comme : aggrécan, protéine de liaison du cartilage (revoir la figure 15), versican et brevican. D'autres sont impliquées dans l'adhérence cellule-matrice et cellule-cellule comme : CD44 et LYVE (lymphatic vessel endothelial hyaluronic acid receptor).

Figure 23. La molécule d'adhérence CD44 est le récepteur de l'acide hyaluronique

CD44 présente une variabilité moléculaire remarquable (entre 60 et 200 kDa) due d'une part à l'existence dans son gène

de 10 exons (d'environ de 300 nucléotides chacun) qui subissent des épissages alternatifs divers et d'autre part, à sa liaison à des chaînes glucidiques (kératane et chondroïtine sulfate) de longueur variable. CD44 est lié au cytosquelette d'actine par l'intermédiaire d'ezrine (poids moléculaire 60 kDa).

Le CD44 joue un rôle important dans le phénomène de cicatrisation (voir aussi « les chaînes de glycosaminoglycanes (GAG) »). En effet les tissus blessés produisent énormément d'acide hyaluronique qui forme, avec la fibrine déposée par le sang, un échafaudage. Par leur CD44 membranaire, les fibroblastes se lieront avec l'acide hyaluronique, migrant ainsi dans le tissu lésé. Ces fibroblastes reconstruiront le tissu sain.

CD = « cluster of differentiation » = groupe de différenciation. Dénomination donnée par les chercheurs qui grâce aux m olécules exprimées à la surface des cellules sanguines, les identifient précisément par reconnaissance avec des anticorpsspécifiques. Exemples : les cellules sanguines sont identifiées, parmi d'autres marqueurs, par la présence de CD4 ou CD8 pour les lymphocytes-T, CD20 pour les lymphocytes-B et CD11b pour les phagocytes.

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