Matrice extracellulaire renouvellement, liaison avec les cellules
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Biologie cellulaire Cours n°5 Mme DE VERNEJOUL Le 3/12 à 10h30 Alizée LORI MATRICE EXTRACELLULAIRE : RENOUVELLEMENT, LIAISON AVEC LES CELLULES 1 PLAN I. GENERALITES SUR LA MATRICE EXTRACELLULAIRE II. LES COMPOSANTS DE LA MATRICE EXTRACELLULAIRE A. Le collagène 1. Structure 2. Différents collagènes 3. Pathologies des collagènes B. Les fibres élastiques 1. Composition 2. Syndrome de Marfan C. Les protéines adhésives 1. Caractéristiques 2. Un exemple : la fibronectine D. Les protéoglycanes 1. Les glycosaminoglycanes (GAG) 2. Un exemple : l’acide hyaluronique 3. Différents protéoglycanes III. LA LAME BASALE A. Généralités B. Pathologies des lames basales IV. LES PROTEASES A. Dégradation de la matrice extracellulaire B. Rôle 1. Rôle en physiologie 2. Rôle en physiologie et en pathologie C. Cathepsines D. Métalloprotéases 1. Fonction 2. Activation et inhibition E. Serine protéases : activateurs du plasminogène 1. Inhibiteur de l’activateur du plasminogène (PAI) 2. Tissue plasminogène activator (tPA) 3. Urokinase (uPA) 2 V. LIAISON CELLULE – MATRICE : INTEGRINES A. Structure des intégrines B. Phénotype des mutations des intégrines C. Liaison avec le ligand extracellulaire D. Liaison du domaine intracellulaire E. Coopération entre la voie des intégrines et des facteurs de croissance : prolifération cellulaire F. Anoïkis : apoptose par manque d’adhésion G. Différenciation cellulaire H. Plaques d’adhésion et mobilité cellulaire I. Activation des intégrines Les éléments en italique ne sont pas à connaître, ce sont la plupart du temps des exemples qui ne servent qu’à illustrer le cours, ou des chiffres ou noms de molécules peu importants. 3 MATRICE EXTRACELLULAIRE : RENOUVELLEMENT, LIAISON AVEC LES CELLULES I. GENERALITES SUR LA MATRICE EXTRACELLULAIRE La matrice extracellulaire existe dans tous les tissus (foie, cœur...), mais certains d’entre eux en sont très riches, comme l’os ou le cartilage, composé à 95% de matrice extracellulaire. Elle est synthétisée par les cellules mésenchymateuses, qui comprennent : • les cellules stromales, précurseurs des fibroblastes, synthétisent un peu de matrice • les fibroblastes, qui sont les cellules mésenchymateuses les moins spécialisées mais sont retrouvés dans tous les tissus • des fibroblastes spécialisés, qui sont les ostéocytes dans le tissu osseux et les chondrocytes dans le tissu cartilagineux. D’autres cellules participent aussi à la synthèse de certains composants de la matrice, mais à plus faible échelle. Par exemple, les monocytes synthétisent du collagène. La matrice extracellulaire est composée de protéoglycanes et de protéines fibreuses. Ces protéines fibreuses peuvent être structurales, comme le collagène et l’élastine, ou adhésives, comme la fibronectine. La matrice a un rôle de stockage de facteurs de croissance ; ainsi, le tissu osseux est un véritable réservoir de facteurs de croissance. II. LES COMPOSANTS DE LA MATRICE EXTRACELLULAIRE La membrane basale fait partie de la matrice extracellulaire : elle sépare l’épithélium du reste du tissu conjonctif, composé des cellules mésenchymateuses, du collagène, des fibres élastiques… 4 A. Le collagène 1. Structure Le collagène est formé de 3 chaînes polypeptidiques enroulées en hélice dans une partie de la molécule mais pas aux extrémités. Il est synthétisé dans le réticulum endoplasmique. La glycine représente un acide aminé sur 3. Etant le plus petit des acides aminés, elle va faciliter l’enroulement de la triple hélice. Ainsi, une mutation sur la glycine rend cet enroulement plus difficile, provoquant des maladies dont l’expression sera plus importante que si la mutation touchait un autre acide aminé. Cette triple hélice peut être présente sous forme d’un homo ou d’un hétérotrimère, c' est-à-dire que les 3 chaînes peuvent être identiques, mais on peut aussi trouver une chaîne différente des 2 autres ; c’est le cas dans le collagène de type I. Le collagène subit des modifications post-traductionnelles indispensables à la formation de la triple hélice. Il s’agit d’hydroxylations, sur les lysines et les prolines et de glycosylations. Les pro-peptides situés en N et en C-terminal sont clivés après la formation de l’hélice mais avant la formation de fibrille. Une fois les extrémités clivées, on parle de procollagène. Les molécules de procollagène vont ensuite s’associer en fibrilles. Cependant, cette association n’est pas systématique. Lorsque les fibrilles se groupent en fibres, on parle de collagène fibrillaire. On en trouve des types majoritaires, comme le collagène I, II et III et des formes minoritaires, le V et le XI. Les collagènes non fibrillaires peuvent s’associer aux collagènes fibrillaires ; c’est le cas du IX, X et XII, ou former des réseaux comme pour le collagène VII et dans les lames basales pour le collagène IV. Par exemple, ici on a le collagène II, grosse fibre retrouvée dans le cartilage, associé à des molécules de collagène non fibrillaire IX. 2. Différents collagènes I Homo/ hétérotrimère Hétérotrimère II Homotrimère III IV Homotrimère Hétérotrimère Type Fibrilles En réseau Quantité Distribution tissulaire 90% du collagène Ubiquitaire : os (que du type I), de l’organisme peau, tendons, cornée… Cartilage (uniquement du II) : disques intervertébraux…, humeur vitrée de l’œil Peau et vaisseaux Lame basale uniquement 5 3. Pathologies des collagènes Il existe des maladies monogéniques dues à des mutations dans la séquence codante d’un collagène. Ces maladies sont rares et leur génotypage très difficile car le gène du collagène est très long : il comporte 41 exons et la mutation peut se trouver n’importe où. Une mutation dans la séquence codante du collagène I provoque la maladie de Lobstein, plus connue sous le nom de maladie des os de verre. Le phénotype est uniquement osseux car l’os ne contient que du collagène I ; la peau par exemple, parce qu’elle a aussi du collagène III, sera moins affectée. Si on a une mutation dans la séquence codante du collagène II, ce qui est plus rare, les tissus les plus touchés seront le cartilage, qui sera de mauvaise qualité, provoquant des arthroses à début précoce, des dysplasies, et au niveau de l’œil une forte myopie. Une mutation au niveau de la séquence du collagène III entraîne un syndrome de Ehlers-Danlos, dont les symptômes sont : • une peau fragile (fine, sujette aux ecchymoses) • une rupture d’organes (côlon, utérus) • des anévrismes vasculaires Par exemple, dans le Ehlers-Danlos de type IV, les symptômes les plus fréquemment rencontrés sont la rupture gastro-intestinale, la dissection aortique, la rupture utérine… La durée de vie des patients atteints de ce syndrome est inférieure à celle de la population générale. B. Les fibres élastiques 1. Composition Les fibres élastiques comportent: • un noyau d’élastine, qui est une protéine fibreuse ressemblant à une chaîne polypeptidique du collagène, riche en Proline, établissant des relations de pontage entre ses différentes molécules. Selon la conformation de ces liaisons, l’élastine peut être tendue ou relâchée. • des microfibrilles, formées de glycoprotéines (fibrilline), qui peuvent exister dans la matrice extracellulaire indépendamment de l’élastine. Ce manchon de microfibrilles de 10nm entoure le noyau d’élastine. 2. Syndrome de Marfan Il est dû à une mutation du gène de la fibrilline. Son incidence est d’1/10 000, c’est donc une maladie rare, dont étaient atteints notamment Aménophis 4 et Lincoln. Actuellement, les patients sont suivis et traités dans des centres de consultation pluridisciplinaires. Ce syndrome se traduit par : • un allongement excessif et une gracilité des membres et des doigts : les individus atteints du syndrome de Marfan peuvent très facilement faire le tour de leur poignet avec leurs doigts, alors que pour un individu normal, c’est plus difficile. • une hyperextensibilité cutanée • une ectopie du cristallin • une altération de la paroi vasculaire (la média), provoquant des anévrismes vasculaires Les formes sont fréquemment incomplètes : on retrouve certains symptômes chez des patients et d’autres symptômes chez d’autres patients. Par exemple, Lincoln est mort d’une rupture d’anévrisme. 6 C. Les protéines adhésives 1. Caractéristiques Les protéines adhésives sont des petites protéines médiant l’adhésion matrice extracellulaire – cellule. Elles contiennent une séquence en acides aminés, RGD (Arginine – Glycine – Acide Aspartique), qui n’est pas tissu spécifique. Quelques exemples de protéines adhésives : • fibronectine • vitronectine • thrombospondine (plaquettes) • ténascine • laminines (retrouvées seulement dans les membranes basales, à ne pas confondre avec les lamines, composant du cytosquelette de la membrane nucléaire) 2. Un exemple : la fibronectine C’est un dimère de 2 sous unités liées par un pont disulfure, formée de 3 modèles répétés. La fibronectine existe sous 2 formes : une forme circulante, sécrétée par les hépatocytes et une forme matricielle. Elle contient plusieurs modèles d’adhésion : • aux cellules (1 RGD et l’autre pas) • aux autres molécules de la matrice extracellulaire (collagène, héparine, fibrine…) D. Les protéoglycanes Un protéoglycane est composé d’un ou plusieurs glycosaminoglycanes liés à un noyau protéique par l’intermédiaire d’un trisaccharide : 7 1. Les glycosaminoglycanes (GAG) Ce sont des chaînes polysaccharidiques faites d’unités disaccharidiques répétitives. Sur le schéma, il s’agit d’acide glucuronique et de N-acétylglucosamine. Ils possèdent une forte charge négative due à la présence de groupements sulfatés et carboxyles, qui va attirer les ions Na+ et par conséquent absorber une grande quantité d’eau. Cela leur confère une particularité : ce sont des structures très étirées, qui occupent un volume considérable. Ces molécules donnent donc une résistance à la matrice extracellulaire. Le cartilage des genoux par exemple porte tout le poids du corps ; il résiste à la pression parce qu’il comporte beaucoup de GAG. 2. Un exemple : l’acide hyaluronique C’est un GAG qui a une particularité : il est ubiquitaire et très long (25 000 disaccharides). Il est non sulfaté et non lié aux protéines. Il joue un rôle très important dans le remplissage des espaces, permettant la migration des cellules. On peut le décrire comme une sorte de gel dans lequel se promènent les cellules, un lubrifiant biologique. 3. Différents protéoglycanes Il existe plusieurs familles de protéoglycanes en fonction des GAG qu’ils contiennent : héparane sulfate, chondroïtine sulfate… Les protéoglycanes varient aussi selon la séquence en acides aminés du noyau protéique. Leur taille est très variable : la décorine est très petite et l’aggrécan très gros. On trouve des protéoglycanes transmembranaires, comme le syndécan. Dans la matrice extracellulaire, les protéoglycanes vont se lier aux facteurs de croissance, constituant pour eux un véritable réservoir. Ainsi, dans la matrice, on trouve des molécules de taille très variable : la décorine est l’une des plus petite, tandis que le collagène IV et l’acide hyaluronique sont de grandes molécules. 8 III. LA LAME BASALE A. Généralités Il s’agit d’une matrice extracellulaire spécialisée qui sépare le tissu épithélial du tissu conjonctif (matrice extracellulaire classique). On la trouve par exemple dans le tissu digestif, la peau (sépare les kératinocytes du tissu mésenchymateux en dessous), les reins (sépare l’urine du sang), le tissu musculaire strié, où il sépare un tissu épithélial d’un tissu mésenchymateux. La lame basale comporte un seul type de collagène, le collagène IV, organisé en réseau, ainsi qu’une protéoglycane, le perlécan, et un type de protéines adhésives, la laminine. B. Pathologies des lames basales Elles peuvent être acquises, avec le développement d’auto-anticorps, comme dans le syndrome de Goodpasture, entraînant une insuffisance rénale sévère. Ces anticorps sont par exemple dirigés contre la laminine. Les pathologies des lames basales peuvent aussi être héréditaires, les mutations entraînant des manifestations essentiellement cutanées ou rénales (syndrome d’Alport provoquant une insuffisance rénale). Dans tous les cas, ce sont le perlécan, le collagène IV ou la laminine qui sont touchés car ils sont spécifiques de la lame basale. IV. LES PROTEASES A. Dégradation de la matrice extracellulaire La matrice extracellulaire n’est pas conservée tout au long de la vie. Elle est détruite par des protéases et doit donc être renouvelée par les cellules mésenchymateuses. Ces protéases sont sécrétées sous forme de pro-enzymes inactives. Elles s’activent ensuite sous l’effet de protéines extracellulaires et peuvent s’activer les unes les autres. Pour éviter une activation trop importante, un inhibiteur physiologique est constamment présent. En physiologie, ce système est en permanence à l’équilibre. Il existe 3 grandes familles de protéases : Protéase Cathepsine Plasmine Métalloprotéase Localisation Lysosomes Matrice extracellulaire Matrice extracellulaire pH d’activité 3-6 7 7 Inhibiteur 2M PAI TIMP 9 B. Rôle 1. Rôle en physiologie Les protéases servent dans le renouvellement normal des matrices, pour qu’elles conservent leurs bonnes propriétés. Elles jouent également un rôle dans la réparation des plaies : • les protéases détruisent la matrice abîmée par la plaie avant la resynthèse de cette matrice • elles clivent les molécules transmembranaires puis les relâchent, c’est le « shedding » • elles clivent les facteurs de croissance associés aux protéines matricielles • elles clivent directement les facteurs de croissance sécrétés sous forme de pro-peptides, pour les activer et ainsi favoriser la réparation des plaies 2. Rôle en physiologie et en pathologie Les protéases permettent aussi la migration des leucocytes en clivant les composants de la matrice extracellulaire et des protéines de liaison (intégrines, cadhérines…). Elles favorisent aussi la survenue des métastases en permettant la migration de cellules tumorales. Elles sont également impliquées dans la destruction du cartilage dans les maladies inflammatoires, comme la polyarthrite rhumatoïde. L’angiogénèse (formation de nouveaux vaisseaux) dépend du relargage du VEGF par les cellules, qui s’effectue sous l’effet des protéases. C. Cathepsines Le pH acide des endosomes clive le prodomaine, ce qui active la protéase. A l’état physiologique, elles ne sont peu/pas sécrétées : ce sont des enzymes de dégradation intracellulaire. Les maladies lysosomales ou de surcharge sont dues à l’absence de dégradation des protéines intracellulaires dans le lysosome, par un mauvais routage des cathepsines pour certaines. On retrouve donc dans ces cellules de gros lysosomes. Ces maladies sont à l’origine de problèmes cardiaques, articulaires… D. Métalloprotéases 1. Fonction Il existe 15 métalloprotéases (MMP) différentes ; à elles toutes, elles sont capables de dégrader tous les composants des matrices extracellulaires. Certaines sont liées à la membrane cellulaire : ce sont les MT-MMP. Nom MMP1 Collagénase 1 Substrats usuels Collagène I, II, III, VII et X Agrécan Ténascine MMP3 Stromélysine Protéoglycanes Collagène II, IV, V, IX Lamines 10 Autres substrats Perlécan IGF-BP Pro-MMP1,2 Pro TNF Perlécan ; Décorine ; Plasminogène ; Pro-MMP1,3,7 Molécules activées FGF actif IGF actif MMP1,2 TNF TGF FGF MMP1,3,7 2. Activation et inhibition Les métalloprotéases sont sous forme inactive, cette inactivité étant due à l’interaction du Zn avec une Cystéine (-SH) du prodomaine : la molécule est donc repliée. C’est le domaine catalytique qui contient le Zn, le prodomaine doit donc être clivé pour que la molécule soit active. Ces protéases s’activent les unes les autres dans la matrice, formant des réactions en cascade, ou alors elles peuvent être activées par des MT-MMP à la surface des cellules. Exemple de la dégradation des protéoglycanes du disque intervertébral par les macrophages activés lors d’une hernie discale : la sortie du disque provoque une inflammation, les macrophages produisent du MMP7, qui provoque un shedding (clivage) de TNF membranaire, conduisant à la production et activation de MMP3 des chondrocytes, qui vont détruire les protéoglycanes. Cette activation est contrôlée par les cytokines (activation), et par les facteurs de croissance (inhibition). Les métalloprotéases ont des inhibiteurs physiologiques, les TIMP (Tissue Inhibitor MetalloProtease) 1 et 2, qui se lient à elles au niveau du Zn et ainsi le cachent, empêchant l’activité catalytique. E. Serine protéases : activateurs du plasminogène Les activateurs du plasminogène (tPA et uPA) convertissent le zymogène (plasminogène) en plasmine. Celle-ci dégrade tous les composants de la matrice extracellulaire sauf le collagène natif et l’élastine. 1. Inhibiteur de l’activateur du plasminogène (PAI) Il prévient la conversion du plasminogène en plasmine en inhibant uPA et tPA. Il est stabilisé dans la matrice par la vitronectine. 2. Tissue plasminogène activator (tPA) Il est circulant, produit par les cellules endothéliales (dans les vaisseaux uniquement). Son activité est déclenchée par la fibrine. Il joue un rôle dans la thrombose (dégradation du caillot). Dans la matrice extracellulaire, il n’est pas important. 3. Urokinase (uPA) Elle est sécrétée sous forme inactive (pro-uPA) par de nombreuses cellules. Pour qu’uPA soit active, le pro-uPA doit se lier à son récepteur membranaire spécifique, uPAR. uPA est régulé par les facteurs de croissance et les oncogènes. uPAR interagit avec les intégrines et peut lier la vitronectine. Il a donc un rôle dans l’adhésion cellulaire. 11 La plasmine créée dégrade la fibrine, la fibronectine et la laminine et active les métalloprotéases, qui dégradent le collagène. Ainsi, le collagène peut être dégradé par la plasmine de manière indirecte. V. LIAISON CELLULE – MATRICE : INTEGRINES A. Structure des intégrines Ce sont des hétérodimères comportant 2 chaînes de 120 à 180 kD et 2 chaînes de 90 à 110 kD. Elles sont transmembranaires et leur domaine cytoplasmique est petit. Elle permet l’adhérence des cellules à la matrice mais aussi l’adhérence intercellulaire. On distingue plusieurs sous familles en fonction de la chaîne : • la famille 1 : interaction cellule – matrice avec le collagène et les protéines adhésives (RGD) • la famille 2 : liaison intercellulaire des leucocytes • la famille 3 : lie le fibrinogène et certaines protéines adhésives, important dans les vaisseaux • la famille 4 : récepteur à la laminine, donc localisé dans la membrane basale B. Phénotype des mutations des intégrines Lorsqu’on invalide les gènes des intégrines chez la souris, on observe des phénotypes différents selon le gène invalidé : • 1 : la mort avant l’implantation 1 est donc très importante • 2 : pas de migration des leucocytes donc infection (pas de formation du pus) • 3 : hémorragie, ostéosclérose (trop d’os) normalement, sert à la formation du caillot • 4 : décollement cutané, pathologie de la membrane basale « bulle sous la peau » • 5 : peu de modifications du phénotype On retiendra seulement que la 1 est la plus importante. 12 C. Liaison avec le ligand extracellulaire La partie N-terminale des intégrines va reconnaître la séquence RGD des protéines adhésives ou d’autres motifs dans d’autres protéines, comme le motif DGEA pour le collagène. Les 2 chaînes et sont impliquées dans la liaison à la matrice extracellulaire. Il n’y a pas de spécificité substrat / intégrine, contrairement aux récepteurs transmembranaires avec leurs hormones : Collagène : 1 1, 2 1, 3 1, 9 1 Fibronectine : 2 1, 3 1, 4 1, 4 7 Laminine : 1 1, 2 1, 6 1, 7 1, 6 4 L’affinité est faible (c’est lié à la faible spécificité). On a une action coopérative entre plusieurs intégrines et substrats, ce qui permet la liaison à plus de composants de la matrice extracellulaire. Une cellule exprime plusieurs types d’intégrines. D. Liaison du domaine intracellulaire Les molécules intermédiaires ne sont pas à connaître. La partie intracytoplasmique de la chaîne est la seule nécessaire à la transduction du signal. Elle lie 2 kinases, Src et FAK, qui se lient à des protéines en relation avec le cytosquelette (filaments d’actine) et les phosphorylent. La liaison d’une intégrine à son ligand induit donc une vague de phosphorylation dans la plupart des cellules. La protéine FAK (Focal Adhesion Kinase), tyrosine kinase, est activée par phosphorylation. Il y a ensuite co-localisation aux points d’adhésion focaux avec p60src, qui est activée par FAK. Cette cascade de phosphorylations conduit à l’activation des voies MAP kinase, PI3K et JUNK. Ce n’est donc pas l’intégrine qui a un domaine tyrosine kinase mais elle se fixe à une tyrosine kinase. E. Coopération entre la voie des intégrines et des facteurs de croissance : prolifération cellulaire La voie des intégrines est en relation avec les voies de prolifération et de survie, activées également par les facteurs de croissance, comme la voie JunK, MAP kinase (prolifération) et la voie PI3K (anti-apoptotique). 13 F. Anoïkis : apoptose par manque d’adhésion Si les intégrines d’une cellule sont absentes ou ne se lient pas aux molécules, la cellule meurt. En effet, la voie intracellulaire anti-apoptotique n’est pas activée car elle nécessite la phosphorylation de FAK et src, qui n’est réalisée que par le biais des intégrines. G. Différenciation cellulaire La différenciation est due à l’induction ou la répression de gènes, qui activent la phosphorylation des facteurs de transcription. L’adhésion des cellules à la matrice va provoquer cette induction/répression via les voies de signalisation cellulaire. On a donc un signal qui vient de l’extérieur de la cellule et qui se propage à l’intérieur. Par exemple, dans les monocytes, de nombreux gènes comme IL1 et TNF (cytokines) sont induits lors de l’adhérence à la matrice (NFkB). Dans les ostéoblastes, l’attachement au collagène I via 2 1 induit l’expression des phosphatases alcalines. Dans les cellules hématopoïétiques, la liaison à la fibronectine entraîne la perte de la différenciation terminale par les érythrocytes via 5 1. H. Plaques d’adhésion et mobilité cellulaire Les intégrines sont liées au cytosquelette par l’intermédiaire de petites molécules (taline, -actinine) pour faire bouger la cellule. Ce sont ces petites molécules qui se lient à l’actine, directement ou par l’intermédiaire de la vinculine. Cf schéma p.13 Les intégrines se groupent aux points d’adhésion focaux. Les filaments d’actine se groupent alors en faisceaux grâce à l’activation de Rho (protéine G). Les intégrines jouent donc un rôle important dans la mobilité cellulaire. I. Activation des intégrines L’expression de certaines intégrines est dépendante : • de l’activation cellulaire : certaines intégrines font la liaison intercellulaire • de la différenciation cellulaire (cellules osseuses et hématopoïétiques). Ici, le signal part de la cellule pour aller vers l’extérieur. 14
