I - Matrice, polarité et jonctions cellulaires

Biologie cellulaire
CCI la semaine du 24 février
CCI la semaine de contrôle continu
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I] La matrice extra-cellulaire
1) Généralités
Elle est composée de trois types de macromolécules :
•
Le collagène et fibres élastiques, qui forment un édifice fibreux
•
Des glycoprotéine, jouant un rôle dans l'adhérence, comme la fibronectine et la laminine
•
Polysaccharides, glycosaminoglycannes protéoglycanes, jouant un rôle de remplissage
Ces macromolécules sont synthétisés par des cellules spécialisée : les fibroblastes, qui sont des cellules informes, ne se
trouvant pas sous forme de tissu. Des cellules dérivées des fibroblastes font des os (ostéoblaste) ou du cartilage
(chondroblaste). Les cellules épithéliales coopèrent avec les fibroblastes, au même titre que les leucocytes qui peuvent sortir
des vaisseaux sanguins par diapédèse.
A l'interface entre cellule et matrice, dans certains cas, on aura une lame basale (constituée essentiellement de laminine).
Que les cellules soient fixes ou mobiles, elles pourront exprimer des récepteurs qui pourront reconnaître les composants de la
matrice extra-cellulaire : on parle de SAM (Substrate Adhesion Molecules).
La matrice est remodelable, et pour cela, possède des enzymes capable de dégrader le collagène et autre constituants de la
matrice, comme les MMP (Matrix MetalloProtease) et les ADAM (A Disintegrin and MetalloProtease).
2) Les fibres de collagène
a) Type 1
Glycoprotéines la plus abondante dans les
organismes animaux, synthétisée par le
fibroblaste. Il représente près de 25% du
poids de l'organisme. Elles vont former des
faisceaux assez épais, pouvant aller jusqu'à
une quinzaine de micromètres. Chaque fibre
est composé de fibrilles de moins de 1µm, qui
forment des stries à intervalles de 67nm. On
retrouve du collagène en grande quantité dans
les tendons, conférant à la fois une grande
résistance et une certaine élasticité (aidée par
l'élastine capable de s'allonger 700 fois).
La synthèse se fait dans le fibroblaste, qui va
faire des chaines de collagène, qui atteignent
300 nm. Ces chaines vont fusionner les unes
avec les autres, avec un léger décalage (d'où
la striation, due au colorant intercalé dans les
espaces entre deux fibrille accrochées). On
aura une fibrille de 1 µm. Ces fibrilles
s'associeront pour former la fibre. Les
macrophages et polynucléaires neutrophiles
pourront dégrader ces fibres.
b) Type 4
La formation de ces collagènes ne se font pas en fibre, mais en réseau 3d et plan. On les retrouve notamment dans la lame
basale.
3) Les fibres élastiques
Elles sont synthétisées par les fibroblastes et
dégradées par macrophages (par des élastases
MMP), fibroblastes et leucocytes. Ces fibres
s'intercalent entre les fibres de collagène,
pour former un réseau. Ces fibres sont liées
entre elles par des liaisons transversales
covalentes. Elles se retrouvent en grande
quantité dans les poumons ou la peau. Lors
du vieillissement cellulaire, une enzyme
(Lysyl-oxydase) est synthétisée en plus
grande quantité, et fait fusionner les
monomères entre eux, limitant l'élasticité du
tissu.
4) Fibronectine
Ce sont des dimères liés par des pont disulfures, qui possèdent deux sites de
liaison au collagène, deux sites de liaison aux intégrines et deux sites de liaison au
protéoglycanes. On relie ainsi le collagène aux cellules
c) Biosynthèse
Elle est régulée par des hormones, en particulier les hormones de croissance, et
localement les cytokines libérées par les cellules alentours. Lors du processus
inflammatoire, les macrophages vont activer les fibroblastes, qui vont fibroser.
II] La polarité cellulaire
C'est la possibilité pour une cellule de reconnaître préférentiellement une molécule selon le côté où elle se trouve.
Dans le cas de la thyroïde, nous pouvons faire des expériences pour mettre en
évidence cette polarité cellulaire. Le colloïde stocke les hormones iodées, les
cellules l'entourent, elles même entourées par une lame basale. On peut dissocier
ces formations par traitement enzymatiques et en absence de calcium, pour former
une monocouche non polarisé.
On réintroduit la monocouche sur un support de collagène et dans un milieu de
culture calcique : on observe alors un retour de la polarité (pôle basal vers
l'extérieur, pôle apical vers le milieu de culture).
Si on ajoute à nouveau du collagène en grande quantité, la monocouche va se
réorganiser pour former des follicules.
Si on empêche l'attachement au support, on aura directement formation de
follicules inversés. Dès que l'on rajoute du collagène, la polarité sera rétablie, avec
les jonctions serrés au bon endroit. Ainsi, la présence de polarité est contrôlé par la
présence de matrice extra-cellulaire à l'extérieur. C'est un phénomène dynamique
Toutes les cellules présentent (à des degrés divers), une certaine polarité. Cellules nerveuses et épithéliales sont probablement
les plus polarisées chez les pluricellulaires.
1) Lame basale
Elle constitue, autour de certaines cellules, une région
différenciée de la matrice extra-cellulaire. Ses constituants
sont globalement les même que ceux de la matrice
(fibronectine, laminine...), mais avec un collagène IV (non
strié) spécifique de la lame basale. Elle peut faire de 50 à 200
nm selon le tissu, et que l'on ne peut voir qu'avec des
colorations.
Elle est composée de trois couches : lamina lucida (lame claire
au contact de la cellule), lamina densa (la plus foncée), lamina
fibroreticularis (plus grande zone, pas clairement délimitée).
On retrouve des hémidesmosomes, avec une plaque dense d'ancrage à la membrane avec filament intermédiaires de
cytokératine (ou tonofilament).
On retrouve des lames basales dans un nombre assez varié de cellules (cellules musculaires, cellules endothéliales, cellule
adipeuse, neurone). Les cellules endothéliales (d'origine mésodermique) ont des lames basales.
a) Laminine
Grande molécules (100nm), avec deux sites de liaison avec le collagène IV, un site de liaison
avec les protéines sucrées, et un site de liaison avec les intégrines. Elle est constitué de 3 chaines
peptidiques. Elle est d'origine fibroblastique et cellules entourées par la lame basale.
Les intégrines (dans la membrane) vont accrocher les laminines, qui vont à leur tour s'accrocher
aux collagènes IV et aux protéoglycanes. Ainsi, il y a formation d'un réseau qui permet le
maintient du tissu.
Des expériences montrent que la synthèse des lames basale résulte d'une coopération entre
épiderme et derme.
b) Fonction de la lame basale
Elle jour le rôle d'interface entre épiderme et derme. Il s'agit
également d'un filtre mécanique (vaisseaux, reins). C'est
également le support de la migration des cellules (par exemple
dans le cas de l'intestin, où les nouvelles cellules sont produites
à la base des microvillosités puis migrent au sommet pour
mourir par apoptose).
2) Critère de polarité cellulaire
Définie par 4 critères principaux :
•
La membrane plasmique est divisée en deux domaine principaux, apical et basolatéral, dont la frontière se situe au
niveau de la jonction serrée.
•
Les édifices macromoléculaires membranaires, enzymes, récepteurs, systèmes de transport, sont distribués de manière
asymétrique
•
Les jonctions intercellulaires font partie du domaine latéral (jonction intermédiaire, desmosome...) et basal
(hémidesmosome)
III] Les jonctions cellulaires
Chez les pluricellulaires, les cellules sont capables de s'identifier entre elles par des Molécules d'Adhérence cellulaire
(MAC/CAM). Ces reconnaissances sont à la base de la communication et de l'architecture de nombreux tissus. Les interactions
(MEC) se font par des récepteurs de la membrane plasmique. Il y a 5 types de jonctions :
•
Jonctions serrées
•
Jonction adhérente
•
Desmosome
•
Nexus ou jonction GAP
•
Hémidesmosome
Pour faire une jonction, il faut :
•
Un ligand externe
•
Une protéine transmembranaire
•
Molécule de liaison
•
Composant cytosquelettique
Ces jonction marchent selon le modèle du
« scratch » : ces jonctions ne sont pas
résistantes, mais leur grand nombre permet de
lier les cellules avec forces.
1) Jonction serrée
Elles sont étanches, et se font sans espace entre les membranes. Elles
forment une ceinture autour de la cellule et continuent autour de la bordure
d'un organe. Elles sont particulièrement importantes dans le tissu épithélial.
Elles sont composées de deux protéines : claudines et occludines. Les
interactions entre ces protéines sont homophiles, c'est à dire qu'elles
interagissent avec les même protéines (claudine face à claudine). Plus il y a
de molécule en alignement, plus la jonction sera résistante (électricité).
2) Jonction adhérentes
Permettent de mettre en contact les microfilaments d'une cellule à ceux d'une autre cellules. Ces filaments interagissent
également avec les microvillosités (terminal web).
La jonction se fait par des cadhérines, constitué d'un
domaine membranaire avec le c-terminal dans la cellules,
d'homologues répétés qui font des chaînes dans le domaine
extra-cellulaire. Entre ces domaines répétés, il y aura des
sites de fixation pour le calcium. Selon le nombre de sites
qui fixent le calcium (la fixation permet de rigidifier la
cadhérine et de permettre son accroche à d'autres
cadhérines), et le nombre d'éléments répétés, l'adhésion sera
plus ou moins forte. C'est une reconnaissance homophile.
Ces cadhérines doivent s'assembler en dimères, qui
pourront interagir avec d'autres dimères. Dans la cellule, les
cadhérines sont accrochés aux actines par des caténines.
Les cadhérines peuvent être spécialisées : E (épithéliale et embryonnaire), P (placenta et
épiderme), N (neurone et muscle), VE (cellules endothéliales et vasculaires). Ces spécialisation
permettent une reconnaissance des types cellulaires, puisque la reconnaissance des cadhérines est
homophile.
En culture, si on met des cellules exprimant E-cadhérine et N-cadhérine, les première formeront
un îlot compact et les autres l'entoureront. Le type de cadhérine induit le positionnement des
cellules par rapport aux autres.
Une autre expérience montre que c'est également la quantité de cadhérine exprimer qui va
déterminer quel sera le positionnement de la cellule par rapport aux autres.
3) Desmosome
Marche également avec des cadhérines, mais qui cette fois, interagissent avec les
kératines cellulaires (et non l'actine) accrochés à une plaque cytoplasmique
protéique formée par l'extrémité des cadhérines. Cette accroche se fait par des
desmoplakines.
On les retrouve souvent dans les tissus soumis à de grosses contraintes, en rendant
résistant les feuillet cellulaire, tout en mettant en commun les filaments
intermédiaires des cellules, pour former un réseau.
4) Hémidesmosome
Similaire à un demi desmosome, mais lié à la matrice, et sont donc asymétriques,
avec une seule plaque d'adhérence. Elles contiennent des intégrines au lieu des
cadhérines. Situés aux pôles basaux, en rapport avec les filaments intermédiaires, et
fixent l'épithélium à la lame basale. Au niveau des adhérences, il y a des amas
d'intégrines transmembranaires. Ces intégrines vont interagir avec les laminines et
les fibronectines.
5) Jonctions GAP (nexus)
Les membranes s'y resserrent à moins de 6nm. Les
connexines (protéines qui repassent 4 fois par la membrane,
et avec les domaines terminaux côté cytosol) forment des
connexons en s'associant en hexamères.
Ces connexons forment des canaux, en
rapprochant deux connexons, permettant
le passage d'ions et de petites molécules.
Chaque jonction peut contenir des milliers
de canaux, et ces canaux sont perméables
à des molécules de moins de 1000 Da.
Ce système de canaux est dépendant du calcium et du pH: en forte concentration de calcium (ou pH
acide) le canal est fermé, et ouvert dans les conditions inverses. La fermeture se fait par un glissement
des protéines les unes par rapport aux autres.
Ces jonctions permettent une synchronisation des cellules en mettant leur cytoplasmes en communication (cœur, intestin,
muscles lisses des vaisseaux sanguins...).
Leur composition peut varier (12 gènes pour des connexines), et être hétéromérique, ou homomérique, selon les connexines
exprimées.
De nombreuses bactéries, comme la lysteria, peuvent dégrader certaines jonctions cellulaires, et donc pénétrer dans certains
tissus, affecter la cohésion des tissus...
IV] La mobilité cellulaire
Permis par des cils ou flagelles. Les flagelles ont un mouvement de battement de petite amplitude, alors que le cil a un
mouvement de fouet.
1) Genèse et structure
A partir du centriole, une copie de ce dernier va former le corpuscule basale.
A partir de ces éléments, ils va y avoir un allongement des microtubules à
partir du corps basal, avec deux microtubules centraux, structure qui ne se
retrouve pas dans le centriole, lui organisé en triades de microtubules reliées
entre elles par des protéines. Le cil va croître à partir des deux microtubules
les plus internes par triade (seuls deux se développent).
La
dynéine se met ensuite en place : pour chaque paire de microtubule, une des
deux fibres sera accroché à un bras de dynéine interne, et sera également
accroché à une fibre rayonnante qui la relie aux microtubules centraux. Ce
même microtubule sera accroché à la paire suivante par une fibre de nexine,
au microtubule qui ne porte pas les dynéines.
Ils existe deux familles de protéines associées aux
microtubules (MAP). Ce sont des ATPases calcium et
magnésium dépendantes spécialisée : kinésine et
dynéine. Chacune de ces protéines possèdent deux
têtes identiques et une tige (site de fixation).
Le mouvement de ces MAP est orienté (selon le sens
des MT), mais cette orientation n'est pas encore
comprise :
•
Dynéine va du + vers le –
•
Kinésine du – vers le +
•
Les microtubules sont constitués d'une alternance
de monomère α et β (qui fixe le GTP). Les
protéines ne « marchent » que sur les β. Quand le
« pied » arrive sur la tubuline β, la protéine tourne
sur elle même, amenant l'autre « pied » devant.
L'hydrolyse de l'ATP permet de séparer le « pied »
de la tubuline, le départ de l'ADP permet la fixation
du « pied » et l'arrivée de l'ATP. Le système avance
de 8nm par molécule d'ATP.
Dans le cil/flagelle, la pliure se fait par action de la
dynéine sur le microtubule B d'à côté et le retour à
la position initiale se fait par l’élasticité des fibres.
Actuellement, on a découvert que la liaison entre le doublet de microtubule central et les microtubules périphériques
contiennent un site de régulation. Ce site de régulation permet de réguler l'accrochage ou non de la dynéine sur le microtubule
d'à côté. Ce site de régulation (CAM on spoke) est dépendant du calcium et magnésium et en présence de calcium, le système
est rigidifié, et donc plus de torsion possible. Le doublet central est mobile, et peut tourner pour répartir les forces le long du
flagelle/cil.
V] La peau
Représente 8% de la masse corporelle, est composée
de 2.1012 cellules, représente une surface de 1,5
à 2 m², et son épaisseur varie de 1mm à 4mm.
Elle se compose en 3 couches :
•
Épiderme : protection du milieu extérieur
•
Derme : avec les cellules sensitives, les
vaisseaux sanguins...
•
Hypoderme : stockent les lipides, l'eau et
protège des variations thermiques.
S'ajoute à ces couches, des poils (composés de
cytokératine épidermique), des vaisseaux sanguins,
des glandes sécrétrices (sudoripares, eccrines...), des
fibres musculaires (piloérecteurs).
Les quatre fonctions de la peau sont :
•
Protection : thermique, ultraviolets, agression mécanique, micro-organismes, chimique...
•
Sensation : organe sensoriel le plus étendu : réception de la douleur, pression, température...
•
Thermorégulation : principal organe chez l'homme, protège des pertes de chaleurs avec les poils, les cheveux et les
tissus adipeux. La perte de chaleur peut être facilité par la sueur, et régulé par les courants sanguins.
•
Fonction métabolique : synthèse de vitamine D par exemple (en présence de lumière solaire), ou réserves
énergétiques lipidiques sous-cutanées.
1) Épiderme
Avec une couche cornée épaisse et acellulaire (la corne),
une couche granuleuse, une couche épineuse (cellules qui
créent des desmosomes, permettant une forte cohérence),
une couche basale qui maintient les contacts avec le derme.
On peut différencier les peaux fines (doigts) des peaux
épaisses (talon, coude...). L'épaisseur des couches
(notamment cornée) variera.
Le poil est une production épidermique, créé à partir d'un
bulbe. Il est composé d'une medulla (centre) et d'un
cortex (autour), ces deux couches recouvertes d'un
cuticule, puis gaine épithéliale interne, une externe, un
sac de tissus conjonctifs, une lame basale épaisse. A la
base, on retrouve le bulbe pileux. Il est composé de
kératine reliées par des ponts disulfures, que l'on brise
avec de l'ammoniac pour pouvoir intégrer des colorants.
VI] Extravasation
1) IgCAM
D'autres molécules peuvent participer aux ancrages cellulaires : ce sont des immunoglobulines avec des fonction d'adhésions.
Ce sont des glycoprotéines, avec un domaine immunitaire. Les interactions entre les lymphocytes et les cellules se font par des
I-CAM (type d'IgCAM), et les N-CAM pour les adhérences neuronales.
La N-CAM (IgCAM la plus connue) fait des interactions homophiles, dépendantes du calcium. La structure est assez similaire
aux cadhérines, avec un domaine de répétition, et un domaine immunoglobulines.
2) Sélectines
Relativement similaire aux cadhérines, avec un domaine homologue répété, un ancrage aux actines par
le biais de protéines d'ancrages.
Dans le vaisseau sanguin, les globules blancs roulent sur le tissu endothéliale avec des interactions
faibles (dépendants des sélectines) et interactions fortes qui vont permettent l'extravasation du globule
blanc (dépendants des intégrines). Sur les sélectines, il y a des domaines qui se lient spécifiquement
aux sucres, permettant la reconnaissance (domaines lectines).
3) Mécanisme d'extravasation
Extravasation des leucocytes
•
Les cellules endothéliales s'activent en
réponse aux inflammations, et font sortir
des sélectines et des facteurs d'activation
des plaquettes (PAF)
•
Les neutrophiles sont piégés et roulent sur
les vaisseaux (sélectines)
•
Le rolling active les neutrophiles, et ses
intégrines
•
Ils pourront alors adhérer au I-CAM par les
intégrines
•
Et passer au travers des vaisseaux par
extravasation.
Ces mécanismes sont un enjeu majeur de la recherche actuel, avec notamment la recherche d'anti-sélectines pour empêcher
l'adhésion des neutrophiles, et donc supprimer les inflammations...