BIOLOGIE CELLULAIRE PARTIE II : PEAU ET HISTOLOGIE CHAPITRE I : LA PEAU La peau est un tissu (8% masse corporelle, 1.5 à 2 m², 3 à 5 µg, 1 à 4 mm, 2.10 12 cellules) en trois couches : Epiderme : couche superficielle protégeant des influences extérieures Derme : couche avec vaisseaux sanguins et cellules responsables de la défense immunitaire, les organes sensoriels et les nerfs Hypoderme : couche constituée de cellules stockant eau et de lipides procurant à la peau son élasticité. I FONCTIONS ESSENTIELLES La peau est d abord un organe de protection. Elle joue un rôle contre les UV mais également les agressions mécaniques, chimiques ou thermiques. Elle protège également des micro-organismes, et, de part son caractère relativement imperméable, protège de la déshydratation. Egalement, la peau est le moteur de la sensation, avec sa place d organe sensoriel le plus étendu de l organisme. Il contient de nombreux récepteurs pour le toucher, la pression, la douleur et même la température. Mais chez l homme surtout, la peau est le principal organe de la thermorégulation. Le corps est protégé de la déperdition calorique par les cheveux, les poils, et le tissu adipeux. La perte de chaleur est facilitée par l évaporation de la sueur et régulée par les vaisseaux. Enfin, le tissu sous-cutané est une réserve importante d énergie principalement sous forme de triglycérides. C est dans la peau qu ont lieu beaucoup de fonctions métaboliques comme la synthèse de vitamine D dans l épiderme. II STRUCTURE A] LE DERME D origine mésodermique, cette couche est constituée de couches de collagène et d élastine. Il y a ensuite une lame basale, de même origine. On y retrouve également des glandes (sébacées, sudoripares) et les muscles arrecteurs du poil. B] L ÉPIDERME D origine ectodermique, il est composé de 4 couches : o Au-delà de la lame basale qui forme les papilles dermiques, siège la couche basale, première couche de l épiderme, ordinaire. o Au dessus, on retrouve la couche épineuse, cellules produisant de la cytokératine reliée par la suite par ponts disulfures pour donner de la kératine. Ces cellules, plus on avance, plus elles sont gorgées en kératine, perdant leurs noyaux, mais tenant en place à l aide des desmosomes. o Suit la couche granuleuse, ou les cellules, ayant perdu ces desmosomes, se tassent en gros amas cellulaires granuleux. o Puis la couche cornée ou les cellules sont mortes, et ne sont plus que des blocs de kératine. C] LES POILS Par Krys3000 (Groupe «The Trust» - http://www.cours-en-ligne.tk/) Page 1
Se sont des structures de types phanères, prenant source par des papilles dermiques, et dont la lame basale porte le nom de membrane vitrée. Celle-ci est le seul élément du derme à être d origine ectodermique. Le poil est également un assemblage de couches : - Medulla, couche intérieure - Cortex, couche extérieure - Cuticule recouvrant le tout - Gaine épithéliale (interne puis externe) - Sac de tissu conjonctif CHAPITRE II : LES JONCTIONS CELLULAIRES Avec la 3 ème genèse, conduisant à l apparition de la pluricellularité, on est arrivé à la spécialisation des cellules. Celles-ci sont reliées par une matrice extracellulaire, qui agira également en temps que réservoir pour facteurs de croissance et hormones. Pour fonctionner, les organismes doivent alors avoir une organisation précise des cellules, et des communications entre-elles. Cette communication se fonde sur l identification et l adhésion entre deux cellules homologues. I TYPES DE JONCTIONS Une jonction est composée d un ligand externe et d un composant cytosolique, reliés par une protéine donc transmembranaire avec l aide de molécules de liaison (pour la spécificité notamment). Il existe différents types de jonctions : Les jonctions serrées : Ces jonctions scellent les cellules voisines entre elles, et ne laissent aucun espace intermembranaire, faisant joint pour empêcher l échange de matériel. Ces jonctions forment une ceinture autour de la bordure d un organe ou d une cavité (intestin, vessie) afin d empêcher les fuites de fluides. On les retrouve aussi en «murs» de vaisseaux sanguins. Ces jonctions sont formées de claudines et d occludines. Les jonctions intermédiaires ou adhérentes réunissent les microfilaments d actine de deux cellules. Les faisceaux de filaments, qu on appelle «Terminal Web», communiquent donc en formant une jonction, constituée d une protéine en 3 domaines (le premier est cytosolique et attaché à l actine, le deuxième est transmembranaire, et le 3 ème intercellulaire, relié en dimère pour attacher les cellules l une à l autre) : c est la cadhérine. Ces molécules s associent en tête à tête, mais seulement si elles sont dans l état rigide. Pour cela, elle s associe à du calcium et se rigidifie. Il faut que les 5 domaines de liaison au calcium soient occupés pour qu elle puisse se dimériser par interdigitation (comme une fermeture éclair) en faisant des liaisons de 30 nm. Les cadhérines se trouvent en plusieurs types : - E-cadhérine (cellule épithéliale) - P-cadhérine (cellule du placenta ou épidermique) - N-cadhérine (neurone, muscle) - VE-cadhérine (cellule vasculaire endothéliale) Les différences entre les cadhérines vont jouer un rôle lorsque les tissus s organisent. Elles sont attachées à l actine par des caténines α et β. Ces jonctions sont souvent présentent en ceintures également, près des surfaces apicales des cellules. Relâcher ces jonctions permet parfois d éviter les AVC. Les desmosomes sont quelques part similaires, car fonctionnent aussi à la cadhérine, mais elles relient les filaments intermédiaires. Ils fonctionnent comme un «bouton pression» provoquant une forte adhérence entre deux cellules. Leur structure est : o Filaments intermédiaires en coudes reliés à la desmoplakine o Plaque d adhésion cellulaire composée de desmogléine et desmocolline. La desmoplakine est attachée à cette plaque par une autre molécule la composant, la plakoglobine. Cette plaque dense se trouve sur la surface intérieure de la cellule. Les desmosomes se retrouvent dans les tissus soumis à des efforts mécaniques (peau, gencives, utérus). Par Krys3000 (Groupe «The Trust» - http://www.cours-en-ligne.tk/) Page 2
Les hémi-desmosomes ne sont pas des moitiés de desmosomes, bien qu ils soient asymétriques, avec une seule plaque d adhérence. Toutefois, ils sont liés à la matrice et fonctionnent avec des intégrines, plutôt que des cadhérines. On les retrouve au pôle basal des épithéliums, ou ils fixent ceux-ci à la lame basale en rejoignant les filaments intermédiaires. Ils sont plus étendus que les desmosomes, leur plaque est plus fine leur conférant une dynamicité qui leur permettra des désassemblages rapides, lors de la division cellulaire par exemple. Les jonctions gap (ou nexus) sont des connexions entre deux cellules, symbolisées par une diminution de l épaisseur de la membrane à seulement 3 nm. Dans cette zone, des connexines s organisent en hexamères, donnant un connexon. Il y a des milliers de connexon par jonctions, un connexon faisant la taille de la membrane. Chaque cellule fournit donc un connexon, le tout créant un canal intercellulaire. Ces jonctions peuvent se fermer par baisse du ph ou augmentation de Calcium (afin d ajuster le degré de couplage des cellules). Elles laissent passer jusqu à 1.2 nm. Ce couplage métabolique permet d échanger des petites molécules entre les cellules et ainsi stimuler des cellules n ayant pas forcément reçu directement l hormone (contraction musculaire, etc. ) II CAMS ET PATHOLOGIES ASSOCIÉES Les molécules d adhérence cellulaire (intégrines, cadhérines, claudines) servent, en temps normal, à lier les cellules et maintenir l intégrité des tissus. Pendant la dédifférenciation, la quantité et la nature des CAMs change, notamment les cadhérines. Cela arrive aussi en cas de maladies : - Anticorps auto-immuns attaquant la cadhérine desmogléïne maladie de la peau, la pemphigus vulgaris. - Mutation de claudine 16 affecte l écoulement de Mg 2+ dans le rein. - Mutation de claudine 14 surdité due à l altération de transport de cellules dans la cochlée. - Toxines bactériennes Transport paracellulaire accru. III - ANCRAGE CELLULE-MATRICE PAR LES INTÉGRINES La cellule est ancrée à la matrice extracellulaire par les intégrines. Celles-ci sont des glycoprotéines qui servent de récepteurs pour les constituants de la MEC à la surface de la cellule : collagène, laminine, fibronectine. Il existe des tas de types d intégrines du fait de leur grande diversité combinatoire : L intégrine se compose de 2 sous-unités, α et β, mais il existe 18 α différentes et 8 β différentes, générant au total beaucoup de combinaisons. C est le domaine extracellulaire d α qui décidera de la liaison avec la molécule de la MEC, en reconnaissant les motifs RGD (Arginine, Glycine, Aspartate). La partie intracellulaire, elle, se lie à la taline, une protéine du cytosquelette qui fait le lien avec les filaments associés. L intégrine joue alors le rôle de régulateur des liaisons intégrines/mec. En effet les intégrines ne sont pas directement activées et doivent changer de conformation pour pouvoir lier la MEC. Ces changements sont induits par des cations bivalents, qui activent des récepteurs de signaux. Ces signaux peuvent venir de l intérieur de la cellule. Cette influence entre la MEC et le cytosquelette est mutuelle : fibronectine peut engager une réorganisation du cytosquelette, lui-même pouvant influer sur la structure et l orientation de la MEC. La coagulation, sur un site de blessure, est un phénomène due à l activation d intégrine αiibβ3, augmentant, par changement de conformation du domaine cytoplasmique, l affinité avec les fibrinogènes du plasma sanguin. Cette induction de la partie externe sur la partie interne de l intégrine s appelle signalisation inside-out. Les désintégrines sont capables de bloquer la coagulation. Ce sont des protéines du venin de serpent, contenant la séquence RGD, et agissant comme une sorte d inhibition compétitive. Parmi les jonctions, les hémi-desmosomes utilisent l intégrine, et parfois aussi les jonctions intermédiaires. IV - ANCRAGE NON-JONCTIONNEL Il existe également le cas d ancrage qui n est pas du aux jonctions. Les CAMs qui appartiennent à la superfamille des immunoglobulines (IgCAM), transmembranaires, peuvent réguler des interactions (I-CAM : entre lymphocytes et cellules de la réponse immunitaire ; V-CAM, N-CAM, L1 : entre cellules nonimmunes). Pour les N-CAM, qui servent d adhérence dans les neurones, on a deux N-CAM de cellules opposées qui s assemblent par un site de liaison extracellulaire, via interactions homophiles. Il y a 20 N-CAM différentes, toutes dues à des différences d épissage d un gène unique. Par Krys3000 (Groupe «The Trust» - http://www.cours-en-ligne.tk/) Page 3
Les sélectines, elles, sont des glycoprotéines qui médient les interactions par des liaisons avec d autres glycoprotéines, sur les cellules opposées, de façon calcium-dépendante. On retrouve 3 types de sélectine : o Sélectine L dans les leucocytes : la plus petite. o Sélectine E dans l endothélium, de taille moyenne. o Sélectine P dans les plaquettes, de grande taille. Structure de la sélectine : Prenons le cas du leucocyte pour résumer l ancrage non-jonctionnel. C est le système de l extravasation. Le leucocyte arrive au contact de la cellule épithéliale, avec, à sa surface, des ligands de sélectine, des intégrine et des récepteurs PAF. La cellule épithéliale synthétise alors PAF, et «amarrent» la cellule, tout en sécrétant des sélectines. La liaison PAF/récepteur active l intégrine, et le leucocyte roule pour se lier à son récepteur, et ainsi, avance progressivement. Il pourra ensuite passer entre deux cellules. Des recherches sur la neutralisation des sélectines peuvent mener à empêcher l invasion des neutrophiles par extravasation, et ainsi supprimer l inflammation. CHAPITRE III : LES MOTEURS MOLÉCULAIRES I CILS ET FLAGELLES : DIFFÉRENCES Elle se trouve au niveau du mouvement de liquide qu elle va générer : les cils battent afin de former un mouvement de liquide parallèle à la surface, alors que le flagelle fournira un mouvement perpendiculaire. On retrouve les cellules ciliées notamment dans les voies respiratoires, ou dans les branchies des bivalves sous forme de tapis, tous en relations les uns avec les autres à l aide de jonctions communicantes. II STRUCTURE DU CIL Un cil est constitué : - D une racine ciliaire, qui n est pas forcément présente, servant d ancrage cytoplasmique - D un corpuscule basal ou cinétosome, qui sert de base à deux microtubules centraux, avec neuf triplés de microtubules périphériques reliés au centre - D un axonème, parcouru par ces deux microtubules, et par 9 autres périphériques en doublets, reliés aux centraux. Vers le centre du cil, il y a une interruption, entre cinétosome et axonème, des microtubules centraux, ne laissant que les triplets. Par Krys3000 (Groupe «The Trust» - http://www.cours-en-ligne.tk/) Page 4
Au sein de l axonème, c est le microtubule A le plus important du doublet : c est celui des deux qui porte la fibre rayonnante. C est lui aussi qui va porter les MAPs motrices impliquées dans le mouvement. III LES MAPS MOTRICES Il en existe deux familles : Kinésines et Dynéines, qui sont des ATPases spécialisées dans le mouvement des molécules, des vésicules et des organites. Sur le microtubule il y a deux bras de dynéine, un externe et un interne. Ces molécules ont deux têtes identiques et une queue, site de fixation du matériel transporté. Même si le mécanisme moléculaire est compris, le contrôle du sens de déplacement est encore mal connu. Qu on soit dans le cas kinésine ou dynéine, le système est le même au niveau du déplacement : le microtubule est composé de tubuline α et β, GTP-liées. - ETAPE 1 : Une des têtes se lie à l ATP et se colle à la tubuline β. - ETAPE 2 : La deuxième tête, ADP-liée, devient ATP-liée, provoquant un pivotement vers la tubuline β suivante à laquelle elle se lie - ETAPE 3 : Hydrolyse de l ATP de la première tête et décollement, puis on recommence. Le transport se fait ainsi : dynéine du plus vers le moins, kinésine le contraire. Dans le cas du cil ce sont les dynéines qui se déplacent, interagissant avec la tubuline des microtubules B voisins : il en résulte une courbure du cil puis, lorsque la tête se décroche, ça redevient droit. CHAPITRE IV : LA MATRICE EXTRACELLULAIRE I PROPRIÉTÉS GÉNÉRALES L espace extracellulaire est en partie voire totalement occupée par cette MEC. Celui-ci est composé de 3 types de molécules Les édifices fibreux de collagènes ou de fibres élastiques Les glycoprotéines moins volumineuses mais jouant un rôle dans l adhérence entre les constituants matriciels et entre MEC/cellule (fibronectine, laminine) Les polysaccharides, glycosaminoglycanes et protéoglycanes, qui piègent de l eau et forment un gel de remplissage, le ballast. Ces molécules sont synthétisées par des cellules spécialisées (fibroblastes et dérivés dans la matrice conjonctive) : elles sont responsables de la biosynthèse et du renouvellement des molécules. Par Krys3000 (Groupe «The Trust» - http://www.cours-en-ligne.tk/) Page 5
D autres types cellulaires sont conservés comme les cellules épithéliales (et toutes celles entourées par la lame basale) et certains leucocytes. La lame basale est partiellement constituée de molécules venant de ce genre de cellules. Toutes les cellules possèdent des récepteurs aux composants de la MEC, ce sont les SAM. Celles-ci participent au remodelage de la matrice, phénomène important en pathologie humaine assuré par deux familles d enzymes : MMP et ADAM. II POLARITÉ CELLULAIRE La cellule dispose d une polarité, c'est-à-dire qu elle dispose d une orientation préférentielle pour gérer les 4 dispositifs suivants : - Architecture générale de la cellule (en particulier celles du cytosquelette) - Fonction orienté des organites - Organisation moléculaire de la membrane - Relations cellules/cellules et cellules/mec Pour illustrer la polarité prenons l exemple de la thyroïde. Celle-ci secrète des hormones participant à la régulation métabolique. Elle est composée de follicules thyroïdiens, ensemble de cellules folliculaires entourant une vésicule de colloïde qui contient les hormones secrétées par les cellules dans le REG. Ces cellules sont orientées : le pôle apical est avec le colloïde, le pôle basal vers le système vasculaire. L expérience proposée est une séparation des cellules de la thyroïde par action de trypsine dans un milieu salin ou le calcium est chélaté. - Disposées dans un milieu calcique, les cellules forment une couche, mais sans jonction ni aucune polarité. - Avec un fond de collagène la couche de cellule devient polarisée et des jonctions apparaissent. - Avec beaucoup de collagène, les follicules se forment. - Sans collagène, mais dans un milieu agité, les follicules se forment mais avec une polarité inversée! On en conclut que le collagène est très important, et que la matrice exerce donc un contrôle sur la polarité cellulaire. Il faut aussi du calcium. Toutes les cellules présentent cette polarité, les cellules épithéliales et nerveuses étant celle en présentant le plus haut degré. L établissement de cette polarité obéit à des signaux d origine intracellulaires et extracellulaires. III COMPOSANTS DE LA MEC A] LES ÉDIFICES FIBREUX Il y a deux types de fibres parmi les composants : Le collagène (type I) : 25 % des protéines totales d un animal. S organisent en vaisseaux épais de fibrilles en striation périodique (période = 60 nm). Une trentaine de gènes codent pour des chaines de peptides α contenant des séquences répétitives d acides aminés. Selon les gènes, ces chaines peuvent être différentes, c est la raison pour laquelle il existe plusieurs types de collagènes. Ces chaines s enroulent en hélices, puis perdent leurs parties N-Term et C-Term, avant de former des superhélices de 3 chaines α : c est la macromolécule de collagène. Ces molécules se juxtaposent avec un décalage d 1/4 de leur longueur pour former la fibrille, elle-même s associant avec d autres fibrilles pour former la fibre qui s organise alors en faisceau. Ce décalage est, avec la répétition des acides aminés, la cause de la striation. Tous les collagènes ne forment pas des fibres : La synthèse de collagène est régulée par les hormones de croissance et les cytokines, facteurs libérés par exemple par les macrophages en cas d inflammation. Le collagène est renouvelé en permanence, sa durée de vie étant d environ 2 mois ; il est dégradé par des collagénases, de la famille des MMP ou des ADAM, libérées par les fibroblastes, les macrophages ou les neutrophiles. Les macrophages peuvent éventuellement les phagocyter. Les fibres élastiques s organisent dans un réseau de fibres plus fines que le collagène, de taille et forme variable selon le tissu composé majoritairement d une protéine, l élastine, riche en proline et en glycine, mais également de microfibrilles de plusieurs glycoprotéines, dont la fibrilline. Les élastines sont reliées par les desmosines, ponts formés Par Krys3000 (Groupe «The Trust» - http://www.cours-en-ligne.tk/) Page 6
par la condensation covalente de 3 chaînes de lysine avec une d une autre molécule, et sont associées aux composants de la MEC. Avec l âge, ou une pathologie comme le diabète sucré, on arrive à une fixation du sucre sur l élastine et le collagène vieillissement de la peau, aussi induit par la trop grande sécrétion de la lysyl-oxydase (formant les desmosines) avec l âge. L élastine est synthétisé par les fibroblastes et possède une demi-vie de 70 ans, soit, durant leur vie, plus d un milliard de cycles d étirement et de relaxation. Les fibres peuvent être digérées par une élastase, famille des MMP, secrétées par les macrophages, neutrophiles ou fibroblastes. Une pathologie, l emphysème, provoque la destruction des parois des alvéoles pulmonaires (donc la fusion apparition de bielles). Cette maladie arrive souvent chez les fumeurs, car la fumée du tabac induit la forte sécrétion d élastase, qui va cliver l élastine induisant une attaque auto-immune avec production d anticorps anti-élastine. B] LES GLYCOPROTÉINES Elles assurent les interactions des composants de la MEC et l adhérence avec les cellules. Nous n étudierons pour ce cours que la fibronectine, un dimère de grande taille (100 nm ; 220 kda) formant un V relié par ponts disulfures. Il possède deux sites spécifiques au collagène et deux à l héparine qu on verra un peu plus loin, ainsi que deux séquences RGD pour les intégrines. La fibronectine est synthétisée localement par les fibroblastes, et dans les cellules reposant sur la lame basale, sauf dans le cas des cellules hépatiques ou elle circule dans le sang pour aider à la coagulation avant de se déposer dans la matrice. Elle est dégradée par des MMP. La fibronectine jouera un rôle dans le développement embryonnaire, dans la migration des cellules (neuronales par exemple). Les récepteurs membranaires de la fibronectine (dont intégrines) vont, par liaison à celle-ci, modifier l organisation du cytosquelette, par activation de kinases et de protéines G. C] LES POLYSACCHARIDES Il y en a deux catégories : Les glycosaminoglycanes (GAG): Longues chaines non ramifiées polymères de disaccharides (sucre + sucre aminé souvent sulfaté). Prennent un volume considérable en cas d hydratation à cause de la rigidité de l axe carboné : c est le cas par exemple de l acide hyaluronique qui forme des gels visqueux occupant un volume jusqu à 10 000 fois supérieur à celui de la molécule de base. Les protéoglycanes sont des GAG liés covalament à des protéines, et s associent en agrégats volumineux. La plupart sont dans la MEC, certains dans la membrane plasmique (SAM). Ils sont tous synthétisés par sécrétion constitutive et dégradés par MMP et ADAM. Leurs fonctions : - Constituent le ballast remplissant la MEC - Favorisent l adhérence cellulaire grâce aux récepteurs membranaires - Confèrent la résistance aux forces de compression, en complément du collagène qui lui donne la résistance aux forces de traction. - Contrôlent la perméabilité à l eau, aux éléments minéraux, et aux molécules baignant dans la matrice. - Contribuent à la constitution des gradients en piégeant les molécules, induisant également le chimiotactisme. S ils sont sous forme protéoglycanes, et qu ils sont constituants des membranes, ils acquièrent en plus les rôles suivants : - Récepteurs SAM - Renouvellement de la matrice par endocytose - Régulation de la dominance de tel ou tel composant, selon le type cellulaire - Diffusion des nutriments dans les tissus non-conjonctifs et donc non-irrigués par le sang (sinon, ils deviendraient osseux) IV LA LAME BASALE La lame basale constitue en fait une région différenciée de la MEC, entourant certaines cellules. Elle possède les mêmes constituants que la MEC, avec certaines modifications ou ajouts : c est le cas du collagène, ici de type IV, s organisant en réseaux plans et non en fibre. On retrouve aussi des types VII et VIII dans certaines lames basales. Par Krys3000 (Groupe «The Trust» - http://www.cours-en-ligne.tk/) Page 7
La lame basale entoure : les cellules épithéliales, les cellules endothéliales, les cellules adipeuses, les cellules musculaires, et les cellules de Schwann. Elle est disposée en 3 couches : - Lamina fibroreticularis avec des fibrilles d ancrages - Lamina densa - Lamina lucida avec ces filaments d ancrages à la LD. On retrouve aussi une glycoprotéine spécifique de la lame basale : la laminine, grosse glycoprotéine en forme de croix composée de 3 chaines enroulées. Cette molécule est synthétisée par les fibroblastes, ou par les cellules entourées la lame basale. Cette lame est synthétisée également par les cellules conjonctives et les kératinocytes. S il manque un de ces éléments, la lame est constituée de manière incomplète. Deux types nécessaires sont donc nécessaires : un épithélial et un conjonctif. Au cours du développement embryonnaire, plusieurs des constituants de la lame induisent une migration des cellules en servant de support. A l âge adulte, en se situant à l interface entre les tissus vascularisés et non-vascularisés, sert de filtre et de contrôle de l apport. Le renouvellement des cellules de l épithélium se fait à partir des cellules souches : les cellules migrent alors avant de desquamer après apoptose. La polarité de ces cellules, contrôlée par la MEC, est définie par 4 critères : - La membrane plasmique est composée de deux domaines principaux : apical et baso-latéral, avec les jonctions serrées pour frontière. - Les parties macromoléculaires de la membrane, enzymes et récepteurs, sont distribués de manières différentes entre ces deux domaines. - Les jonctions autre que serrées ne se retrouvent qu en baso-latéral. - Le fonctionnement et les échanges cellules/milieu se retrouvent verticalement, de l apical vers le latéro-basal, ou inversement. Par Krys3000 (Groupe «The Trust» - http://www.cours-en-ligne.tk/) Page 8