Jonctions Intercellulaires et Adhérence Licence de Biologie Cellulaire (L2) Module Biologie Moléculaire de la Cellule II Arnauld Sergé 2004-2005 Organismes multicellulaires L émergence des organismes multicellulaires a permis la spécialisation des cellules et la formation d organes. Les vertébrés possèdent plus de 100 types cellulaires spécialisés (et plus de 15 pour les plantes). Une matrice spéciale, la matrice extracellulaire (MEC/ECM), rempli l espace entre les cellules. La MEC lie également des cellules ensemble, agit en tant que réservoir pour des facteurs de croissance et des hormones, et crée un environnement dans lequel les molécules et les cellules peuvent migrer. 1 2 Organismes multicellulaires Au moyen de molécules d'adhérence cellulaires (MAC/CAM) spécifiques, les cellules sont capables de s'identifier entre elles. Les interactions cellule - MEC se font par des récepteurs de la membrane plasmique. 3 Identification et adhérence cellules - cellules Pour fonctionner, un organisme multicellulaire doit avoir une organisation précise des cellules et des communications intercellulaires... La communication entre les cellules se fonde sur l'identification et l'adhérence cellule-cellule. L'adhérence entre cellules homologues est un dispositif primordial de l'architecture de nombreux tissus. (Un feuillet de cellules épithéliales forme la doublure du petit intestin, des feuillets d hépatocytes constituent une grande partie du foie). 4 Interactions cellules - cellules - Organe : architecture complexe impliquant une variété de types cellulaires différents. - Les arrangements tridimensionnels dépendent fortement des interactions sélectives entre les cellules du même type aussi bien qu'entre des cellules de types différents. Jonctions Cellulaires Bien qu une centaine d adhérences cellule-cellule individuelles soit suffisante pour que des cellules adhèrent, des jonctions spécialisées contenant les agrégats denses de molécules d'adhérence sont nécessaires pour la fonction des tissus. Il y a trois types communs dans les cellules animales : jonction serrée / étanche jonction adhésive / d ancrage jonction gap / communicante Et un seul dans les cellules végétales, les plasmodesmes 5 6 Cours 1 p1
Une jonction se compose d'un ligand externe, d'une protéine transmembranaire, de molécules de liaison, et d'un composant cytosquelettique Les molécules d adhésion permettent aux cellules animales d'adhérer étroitement et spécifiquement avec les autres cellules de même type. Ces interactions permettent à des cellules distinctes de s'intégrer dans des tissus distincts. Des protéines de la surface cellulaire (les MAC) sont responsables non seulement de l'adhérence homophile entre les cellules d'un même type, mais également l'adhérence hétérophile entre cellules de types différents. Types de Jonctions Cellulaires 7 8 Adhésion cellule-cellule ou cellule -matrice «L union fait la force» 9 Modèle du scratch : dans plusieurs cas (établissement d une synapse ), bien que chaque MAC ait une force de liaison réduite, c est leur assemblage en nombre élevé qui permet une liaison intercellulaire robuste. 10 Molécules d adhésion cellule-cellule Cadhérines superfamille des immunoglobulines (Ig) Sélectines Intégrines Connexines Occludines et Claudines 11 12 Cours 1 p2
Identification expérimentale des MAC Des anticorps ont été développés contre des types spécifiques de MAC. Le traitement des cellules cibles avec des anticorps a perturbé l'agrégation de cellules. Mesure de la résistance trans-épithéliale 13 14 Jonctions Intercellulaires et Adhérence 1- Jonctions étanches 2- Jonctions d'ancrage 2.1- ancrage cellule - cellule par les cadhérines 2.2- ancrage cellule - matrice par les intégrines 2.3- desmosomes et hémidesmosomes 2.4- ancrage non jonctionnel (IgCAM et sélectines) 3- Jonctions communicantes 3.1- jonctions gap 3.2- jonctions végétales: plasmodesmes 15 Jonctions étanches Les jonctions étanches ne laissent aucun espace entre deux membranes => elles servent de joint pour empêcher l'échange de matériel à travers la membrane. Les jonctions étanches entre les cellules adjacentes forment une ceinture continue autour de la bordure d'un organe ou d'une cavité du corps. Particulièrement importantes pour les cellules épithéliales intestinales, les conduits et cavités des glandes et la vessie, elles empêchent les fluides de s'infiltrer en dehors, entre les cellules. Les jonctions étanches existent également entre les cellules endothéliales qui forment la structure spéciale des murs des vaisseaux dans les capillaires du cerveau (barrière hémato méningée) et du placenta (barrière placentaire). 16 Organisation & composition Structure des jonctions étanches Chaque jonction consiste en un réseau de chaînes. Chaque chaîne est constituée par des protéines de jonction transmembranaires disposées en continue, et en liaison étroite avec leur partenaires appartenant à une autre cellule. Les chaîne fusionnées éliminent l'espace intercellulaire. 17 18 Cours 1 p3
Fonction importante des jonctions serrées dans le transport du glucose à travers l'épithélium interne : 1. Empêcher l'écoulement du glucose entre les cellules Microscopie électronique par Cryofracture ou coupes minces 2. Empêcher la diffusion latérale des transporteurs membranaires d'un domaine à l'autre 19 20 Etanchéité épithéliale 21 22 Jonctions Intercellulaires et Adhérence 1- Jonctions étanches Les cadhérines 2- Jonctions d'ancrage 2.1- ancrage cellule - cellule par les cadhérines 2.2- ancrage cellule - matrice par les intégrines 2.3- desmosomes et hémidesmosomes 2.4- ancrage non jonctionnel (IgCAM et sélectines) 3- Jonctions communicantes 3.1- jonctions gap 3.2- jonctions végétales: plasmodesmes 23 24 Cours 1 p4
Cadhérines : protéines d adhésion liées au calcium Les interactions de cadhérines sont homophiles, les cadhérines identiques interagissant pour former des tissus cellulaires de même type. Cadhérines classiques: E cellules épithéliales & embryonnaires P placenta & épidermes N neurones & muscles VE cellules endothéliales vasculaires Quand le Ca 2+ est lié aux 5 domaines cadhérine répétés, elles peuvent se dimériser et se lier aux domaines semblables d'une cellule adjacente. De même, la diminution du Ca 2+ extracellulaire peut entraîner la dissociation des cellules. 25 Cadhérines non classiques: Desmocolline & desmogléine desmosomes épithéliaux Proto-cadhérines synapses 26 Structure 3D Mécanisme d interaction Mécanisme proposé pour l adhérence cellulaire médiée par les cadhérines : 1. Des ions calcium se fixent entre chaque domaine et maintiennent la rigidité de la partie extracellulaire de la protéine, changeant leur conformation et permettant leur dimérisation. 2. Les molécules de cadhérine des cellules opposées agissent l'une sur l'autre par inter-digitation ou contact tête à tête, ce qui permet de relier les membranes adjacentes. cf. effet «fermeture éclair» 27 28 Le modèle de «fermeture éclair» Deux types de jonction cadhérine microfilaments d actine filaments intermédiaires de kératine 29 Cf. 3.2 30 Cours 1 p5
Les cadhérines sont liées au cytosquelette d'actine par des caténines Jonctions d adhérence - Communes dans les épithéliums, où ils se présentent comme des ceintures qui encerclent chacune des cellules près de sa surface apicale, la liant à ses voisines. 31 - Les cadhérines forment des liaisons de 30 nm de long, dépendantes du calcium. 32 La ceinture d'adhérence Cadhérines & développement Les cadhérines sont impliquées dans la maturation des tissus. Ex: transition épithéliummésenchyme 33 34 Formation d un tube épithélial Distribution des cadhérines Three-Dimensional rotating volume rendering of E-cadherin distribution in epidermis and pronephros of a 30 hpf zebrafish embryo. 35 36 Cours 1 p6
Jonctions Intercellulaires et Adhérence 1- Jonctions étanches 2- Jonctions d'ancrage 2.1- ancrage cellule - cellule par les cadhérines 2.2- ancrage cellule - matrice par les intégrines 2.3- desmosomes et hémidesmosomes 2.4- ancrage non jonctionnel (IgCAM et sélectines) 3- Jonctions communicantes 3.1- jonctions gap 3.2- jonctions végétales: plasmodesmes Famille de glycoprotéines membranaire, récepteurs de surface des cellules pour des constituants de la MEC. Les intégrines Elles se lient au collagène, à la laminine, à la fibronectine et à d'autres composants de la matrice extracellulaire. αvβ3 Integrin Crystal Structure, from: Xiong et al. Science (2002), 296, 151-155. 37 38 Structure des intégrines Chacune se compose de deux polypeptides transmembranaires différents, les sous-unités, α et β. Les molécules d intégrine varient par leur spécificité de liaison et par la taille de leurs sous-unités. 18 sous-unités α : 110 140 kd (kilo-dalton) 8 sous-unités β : 85 91 kd => Diversité combinatoire 39 Le cytosquelette intracellulaire et la matrice extracellulaire sont intégr grés s par les intégrines La spécificité de liaison dépend du domaine extracellulaire des sousunités α. Les domaines de liaison extracellulaires identifient le motif GRD (Arg-Gly-Asp) et d'autres parties de glycoprotéines. Les parties intracellulaires des intégrines possèdent des domaines de liaison pour des molécules du cytosquelette. 40 Récepteur de la fibronectine : l intégrine la mieux comprise Ligands des intégrines Partie extracellulaire site de liaison pour la séquence RGD Extrémité intracellulaire site de liaison pour la taline, une protéine du cytosquelette, indirectement liée aux microfilaments En se liant à des molécules extracellulaires et aux microfilaments intracellulaires, l'intégrine régule l'interaction entre le cytosquelette et la MEC. 41 Les intégrines relient les cellules à la matrice extracellulaire (fibronectine ou laminine) ou à des récepteurs de la famille des immunoglobulines. Ces liaisons peuvent être régulées. Des cations bivalents sont requis pour maintenir les intégrines dans une conformation capable de lier le ligand. 42 Cours 1 p7
Signalisation & intégrines L'activation implique des changements de conformation des intégrines. Les diverses intégrines identifient des séquences spécifiques dans leurs ligands. Par exemple, α4β1 identifie EILDV (dans VCAM-1 et dans la fibronectine) et α5β1 identifie RGD dans beaucoup de protéines de la MEC. Les intégrines peuvent être activées par un signal de l'intérieur de la cellule. L'influence entre le cytosquelette et la MEC est mutuelle En se liant à l'intégrine, la fibronectine peut déclencher la réorganisation du cytosquelette à l'intérieur de la cellule, qui affecte la forme et la motilité des cellules. Le cytosquelette (intracellulaire) peut également influencer l'attachement et l'orientation de la MEC. Expérimentalement, perturber le cytosquelette par un produit chimique (la cytochalasine B) peut causer la dissociation des filaments de fibronectine de la surface des cellules. => Influence sur le comportement cellulaire : motilité, croissance, survie 43 44 Coagulation L'agrégation des plaquettes se produit après l'activation des intégrines αiibβ3 L'activation augmente leur affinité pour le fibrinogène Changement d'affinité déclenchée par des changements du domaine cytoplasmique signalisation inside-out Cette agrégation peut être bloquée par des peptides RGD. Des insuffisances héréditaires du récepteur αiibβ3 entraînent des troubles de saignement (Badhe et al., 2000) Disintégrines Les disintégrines proviennent du venin de serpent et bloquent la coagulation. Elles contiennent la séquence RGD et interfèrent avec l'adhérence intégrine ECM, permettant la désadhésion et la migration des cellules. Les protéines ADAM (contenant des motifs disintégrines et métalloprotéase) remodèlent les protéines de surface. Elles interviennent lors de la fusion du spermatozoïde et de l ovule, la fusion des myoblastes pendant la myogenèses 45 46 Jonctions contenant des intégrines Une jonction d'adhérence relie un composant de la matrice à une intégrine liée par un adaptateur (par exemple la vinculine) à l'actine. Un hémidesmosome relie un composant de la matrice à des intégrines et, par l'intermédiaire d'un adaptateur (par exemple la plectine), aux filaments intermédiaires (kératines). => Cf 2.3 47 Cours 1 p8