Approche systématique de la cellule - Biologie Cellulaire PDF

# III. Approche systématique de la cellule ## A. Préambule Les relations élémentaires de la biologie moléculaire sont présentées de manière bipartite, c'est-à-dire avec deux acteurs. En revanche, ces relations ont toujours lieu dans un certain contexte, en intra ou en extracellulaire. Il faut donc...

# III. Approche systématique de la cellule ## A. Préambule Les relations élémentaires de la biologie moléculaire sont présentées de manière bipartite, c'est-à-dire avec deux acteurs. En revanche, ces relations ont toujours lieu dans un certain contexte, en intra ou en extracellulaire. Il faut donc comprendre le vivant à travers les parties séparément mais aussi dans sa globalité. Le tout donne le sens aux parties. ## B. Principes de la biologie cellulaire La biologie cellulaire comprend 5 grands principes: * **Fonctionnement en réseau**: il y a souvent voire toujours plus de 2 acteurs impliqués. * **Une fonction cellulaire est toujours multi-niveau**: le contexte compartimento-cellulaire est essentiel à la fonction. * **Causalité et finalité sont multiples**: seul le niveau d'intégration fonctionnelle compte. La cellule est le niveau d'intégration fonctionnelle du vivant par excellence. * **L'information circule de manière multi-directionnelle**: les rétro-contrôles sont une norme. * **Les acteurs cellulaires n'existent qu'en interaction.** # IV. Exploration cellulaire ## A. Introduction La cellule a une taille moyenne de 10 à 20 microns. (Il y a beaucoup de chiffres mais l'important est de connaître les ordres de grandeur). La composition cellulaire est différente de la composition terrestre. ### Composition cellulaire : * __Chimique__: hydrogène 49% / carbone 25% / oxygène 25% / azote 1%. * __Moléculaire__: eau 70% / 3000 macromolécules 24% / 1000 petites molécules organiques 5% / 20 petites molécules minérales 1%. Le carbone établit des liaisons covalentes ce qui permet l'établissement de molécules complexes : les macromolécules biologiques. La composition en eau étant de 70%, les réactions enzymatiques se font donc en milieu aqueux. ## B. Observation de la cellule par microscopie optique (on ne voit pas les organites) Il est nécessaire de préparer des échantillons pour observer un tissu ou un organe. Ils sont préparés par un microtome: c'est une machine qui coupe des tranches de 5 à 6 microns d'épaisseur. En revanche, une telle coupe de cellules vivantes détruit toutes les structures moléculaires, et il est également assez compliqué de couper un tissu mou. Ainsi, les tissus sont le plus souvent fixés. ### Fixation cellulaire: La fixation cellulaire provoque la mort immédiate de la cellule. Ainsi la fixation immobilise la structure à un temps t, on peut avoir une idée de ce qui se passait à un instant précis. Elle se fait en plusieurs étapes : * Fixation de la cellule dans du formol. * Biopsie avec quelque chose de dur: ex avec de la paraffine (liquide à 37° et durcit en refroidissant). ### Microscopie à contraste de phase: Ce microscope est le microscope de base des laboratoires, il permet de voir les cellules vivantes sans préparation. Les cellules sont alors en culture et non dans un tissu. Il utilise la lumière blanche et un système optique particulier ce qui permet une résolution supérieure à 0.2 microns bien qu'on utilise plus souvent une résolution de 1 micron. En revanche, les cellules sont constituées d'une majorité d'eau et sont donc globalement transparentes. Ainsi, il existe d'autres systèmes pour voir les cellules vivantes. ### Microscopie en lumière blanche: Ce microscope permet l'analyse des tissus et organes par histologie. On peut utiliser des colorants, mais qui sont assez peu spécifiques. Si le contenu recherché est peu présent il est difficile de le repérer car peu coloré: cette technique est ainsi peu sensible, ce qui nécessite d'autres types de marquage comme la fluorescence. ### Microscopie en fluorescence: Ce microscope est similaire à celui en lumière blanche mais utilise des molécules émettrices de lumière. On a ainsi la possibilité de voir des groupes de molécules invisibles en lumière blanche. Il est également possible d'utiliser des colorants spécifiques pour montrer des structures spécifiques. Ces colorants sont le plus souvent couplés à un anticorps spécifique de la protéine d'intérêt, par la technique d'immuno-histochimie. ### Immuno-histochimie (immuno-histologie) On utilise ici un anticorps spécifique de la molécule d'intérêt, qui porte un fluorochrome. Cela permet ainsi de rendre fluorescente la molécule d'intérêt sur laquelle se fixe l'anticorps, notamment par la technique ELISA. Les couleurs de fluorochrome possibles sont rouge / vert / bleu, avec du jaune / cyan / magenta lors de colocalisation. Les colocalisations permettent de montrer les interactions et rapports entre deux protéines. Il devient en revanche très difficile de distinguer plus de 3 à 4 couleurs dans une seule cellule. Cette technique permet d'étudier spécifiquement un type de protéine: sa localisation, sa surface, ou sa concentration. La résolution est ainsi de niveau intracellulaire. On peut quantifier. ### Vidéo-microscope Cette technique se fonde sur une numérisation des images prises en microscopie photonique, puis un assemblage permet un rendu 3D et un suivi des mouvements. Se fait sur cellules vivantes, permet de suivre un mouvement intracellulaire ou un mouvement sur une plaque. ### Microscope confocal à balayage laser Cette technique reprend un microscope en fluorescence classique, mais avec l'ajout d'un laser. Il possède un faisceau étroit, ce qui rend possible une très haute résolution et donc une grande netteté. On peut ainsi voir des structures extrêmement petites sur des cellules vivantes. On peut également reconstituer des éléments en 3D par l'utilisation du laser et de multiples marquages. Enfin, il est possible d'ajouter au système divers composants informatiques (obtention de données quantitatives) et des composants optiques perfectionnés (gain de netteté). ## C. Observation de la cellule par microscopie électronique Les microscopes électroniques permettent de voir des objets très petits, avec une résolution d'environ 2 nanomètres. En revanche, les éléments doivent être préparés spécialement, par une résine dure ou du métal. On peut utiliser des éléments radioactifs. ### La tomographie à électrons Se fait par un microscope à électrons, qui permet une reconstitution en 3D. Pour préparer des coupes d'échantillons, il est nécessaire de les durcir. En revanche, la congélation fait éclater les cellules car l'eau augmente de volume. Ainsi, on réalise une congélation spéciale par un bain d'éthanol dans de l'azote liquide à -170°C. Cette congélation est plus rapide et permet d'éviter de passer par le stade cristal qui explose les structures. Cette technique (années 2000) offre une excellente résolution, permettant par exemple de voir les pores nucléaires. On peut ensuite attribuer une coloration à chaque type de structure sur le modèle 3D, ce qui permet une très grande précision d'étude. On peut ainsi observer les rapports entre les organites. ## D. Isolement et culture des cellules Des cellules peuvent être isolées à partir d'un tissu. Il y a tout d'abord une digestion protéique (protéase comme des trypsines) qui dissocie les cellules et la MEC. On peut ensuite séparer les différentes populations de cellules par centrifugation (poids), par adhérence au plastique pour les macrophages et mastocytes, ou par cytométrie en flux. On peut également utiliser la microdissection laser (laser à 12 microns des cellules), qui permet de prélever quelques cellules dans un tissu parfois vivant. Cette technique est utilisée pour étudier un seul type cellulaire. Le tri par cytométrie en flux permet la quantification et le tri de types cellulaires différents. On peut notamment utiliser des anticorps marqués fluorescents, ce qui permet au système de différencier puis de trier les cellules. De même, la différentiation est possible en fonction du volume cellulaire. On utilise cette technique notamment pour la surveillance des lymphocytes CD4 dans le cas du SIDA. Très rapide, quelques minutes à quelques heures. Les cellules sont ensuite mises en culture primaire à 37°C, avec des nutriments, du CO2 et de l'O2. Une culture primaire est une culture de cellules qui proviennent directement d'un tissu. Pour les cellules normales la culture est possible quelques jours, alors qu'elle peut durer jusqu'à des années pour les cellules cancéreuses. En effet, elles ne possèdent plus de mécanismes de régulation cellulaire (prolifération, apoptose...). ## E. Exploration moléculaire Après éclatement cellulaire, il peut être utile de séparer les organites, notamment par la technique d'ultra-centrifugation, ou centrifugation à haute vitesse. L'échantillon liquide est placé parmi des échantillons de sucrose de différentes densités. Ensuite, le tube est laissé à 60.000 tours par minute entre 12 et 24 heures. De ce fait, les organites d'intérêt s'organisent en fonction de leur densité entre les couches de sucrose. On récupère ensuite une solution quasiment pure par prélèvement avec une aiguille dans le tube. Les molécules d'intérêt peuvent ensuite être analysées par une technique de blot, qui se décompose en plusieurs étapes: 1. **Electrophorèse sur un gel de poly-acrilamide**. Les échantillons sont déposés sur un gel puis laissés migrer selon un gradient électrique, donc en fonction de leur charge, mais on peut également le faire en fonction du poids moléculaire si les protéines sont préalablement dénaturées. (Le SDS-page permet de faire en sorte que toutes les protéines soient chargées négativement) Les protéines migrent de la cathode vers l'anode (- vers + ). (les cations chargés + sont attirés par la cathode) 2. **Transfert:** sur un filtre de nitrocellulose par un mouvement d'eau. Transfert par capillarité, l'eau monte sur le papier absorbant. 3. **Fixation:** par les rayons ultra-violets UV. 4. **Hybridation:** par un anticorps spécifique ou par des rayons radio. On peut hybrider de l'ADN et de l'ARN avec de l'ADN complémentaire. 5. **Révélation:** de l'anticorps (doit être spécifique) ou des éléments radioactifs. ### Selon le type de molécule analysée on distingue 3 cas: * **Protéine:** western blot. (toujours beaucoup utilisé) * **ADN:** southern blot. (on utilise davantage la PCR aujourd'hui) * **ARN:** northern blot. On peut également utiliser la technique d'hybridation in situ (FISH) donc dans la cellule. On arrive à détecter l'ADN ou l'ARN par des sondes complémentaires marquées aux fluorochromes. Cela peut se faire sur des coupes, sur des cellules entières, mais également sur des préparations de chromosomes. Cette technique permet notamment le diagnostic d'anomalies chromosomiques. Dans le cas d'absence d'anticorps spécifique d'une protéine d'intérêt, on peut tenter de rendre la protéine fluorescente. On construit alors un gène hybride (chimère) codant pour la protéine, mais sur lequel on rajoute une portion du gène animal codant pour la Green Fluorescent Protein GFP. Il y a ensuite transcription puis traduction de la protéine normale, couplée à la protéine fluorescente. # V. Membrane cellulaire ## A. Introduction On distingue substance hydrophobe et substance hydrophile. Une substance amphiphile est une substance hydrophobe et hydrophile. Par exemple la tête polaire des lipides. Dans la membrane, on retrouve seulement des lipides amphiphiles : tête hydrophile et queue hydrophobe. ## B. Membrane cellulaire La membrane est une enveloppe qui sépare l'intérieur de la cellule du milieu extracellulaire. C'est donc une barrière entre deux compartiments aqueux (70% d'eau intracellulaire). Il existe : * des passages privilégiés (canaux ioniques, pompes...) pour les éléments. * des points privilégiés pour le transfert d'informations (structures réceptrices d'un ligand). * des points de contact avec l'environnement (adhérence). * des lieux de réactions biochimiques (enzymes). * un certain mouvement cellulaire. (cf motilité) C'est une bicouche lipidique de triple épaisseur (5 nm) avec des protéines insérées. La composition est variable et la membrane est asymétrique, on retrouve en effet deux feuillets non-identiques. Le renouvellement est continu afin de permettre des échanges. (La cellule est en perpétuel mouvement) Ainsi, l'espace inter-membranaire est formé des membranes de différentes cellules non-accolées. On a ainsi une bicouche lipidique mais une triple épaisseur: deux couches de lipides et un espace intercellulaire. ### Technique de cryofracture en microscopie électronique Cette technique permet l'étude de chaque feuillet de membrane séparément et de l'intérieur. Elle se divise en plusieurs étapes : * Congélation en azote liquide (-195°C) puis fracture à l'aide d'une lame qui se place entre les deux feuillets. * Ajout d'un feuillet de platine pour la tomographie par électrons. Elle peut servir pour toutes les membranes (cellulaire, nucléaire...) et permet de quantifier les complexes protéiques ainsi que leur localisation, lorsqu'on sépare les deux feuillets, les protéines transmembranaires restent sur le feuillet interne de la membrane. ## C. Composition chimique Les ordres de grandeurs sont importants à connaitre. Apprendre la fonction permet de retenir plus facilement la structure (prédominance de lipides ou de protéines). * Lipides: 65-70% de la cellule, amphiphiles et organisés en bicouche. * Protéines: 30-35% des composants. * Sucres sous forme de glycanes, surtout sur le feuillet externe. ### Les ordres de grandeurs sont importants à connaître: * **Hépatocytes:** Protéines 45%, lipides 50% * **Myéline:** Protéines 18%, lipides 76% * **Mitochondrie:** Protéines 76%, lipides 24% La proportion élevée de protéines dans la membrane des mitochondries s'explique par la multitude de réactions biochimiques qui se passent à l'intérieur de cet organite tandis que la proportion élevée de protéines au niveau des hépatocytes s'explique par la multitude de réactions métaboliques se déroulant dans le foie. (hépatocytes=cellules du foie) La proportion élevée de lipides au niveau de la membrane de la gaine de myéline est due à la nécessité du rôle de conduction de cette gaine (les lipides agissent comme isolants électriques tandis que les protéines cloisonnent cette membrane au niveau des nœuds de Ranvier) ## D. Lipides membranaires (pas d'expression génique pour les lipides) Tous les lipides membranaires sont amphiphiles, c'est-à-dire composés d'une tête hydrophile et d'une queue hydrophobe. Ils se forment ainsi spontanément en bicouche. Les lipides insaturés en cis (double liaison) forment un coude dans la chaîne d'acides-gras, donc un volume plus important dans la membrane. (Imaginez des lipides plus larges mais moins longs donc la membrane sera plus fine) Cela engendre une diminution de la rigidité de la membrane, ainsi les espaces constitués de lipides insaturés en cis (notion vue en biochimie) sont des zones plus fluides où les échanges de signaux seront facilités. ### On retrouve plusieurs classes de lipides : * **Phospholipides** abondants: lipides insaturés dérivés du glycérol (glycérolipides): PC / PS / PE. C'est la tête qui change. * **Dérivés des sphingosines:** lipides saturés (sphingophospholipides / glycosphingolipides). Lipides en quantité plus faible mais avec rôle très important → Pl. (principalement en interne) * **Cholestérol:** → 1/5ème des lipides. (20%). ## E. Protéines membranaires Les protéines membranaires représentent environ 30% des protéines cellulaires. Il existe ici aussi une certaine asymétrie: * **Extracellulaire:** glycoprotéines et protéoglycanes, en contact avec la MEC. * **Intracellulaire:** protéines non-glycosylées, en contact avec le cytosquelette. ### Les protéines membranaires sont en relation avec un lipide OU peuvent avoir un domaine transmembranaire. * **L'ancrage par la protéine** représente un élément structural et forme le plus souvent un canal ou un récepteur. Il assure ainsi la continuité de la transduction de signaux et peut servir de passage à travers la membrane. * **L'ancrage par un lipide** assure la mobilité de la protéine puisqu'elle n'appartient qu'à un feuillet et n'est donc pas une solution pour le passage transmembranaire. ### Fonctions des protéines : * **Transport transmembranaire:** canaux ou pompes. Transport parfois bidirectionnel. * **Réception et transduction d'informations:** protéines réceptrices avec changement de conformation par la liaison du ligand, entraîne une activation kinase directe ou indirecte. * **Adhérence cellulaire:** MEC, autres cellules, cytosquelette. * **Transformation de molécules:** réactions enzymatiques. Il y a des protéines transmembranaires qui ont une activité kinase sur leur segment intracellulaire. ## F. Glycanes Les glycanes sont des glycoprotéines ou des glycolipides stables fixés de manière covalente sur leurs composants aglycones (lipides, autres protéines...). Ils se trouvent quasiment en totalité sur le versant externe de la cellule. ### Glycoprotéines: * **O-glycosylation:** sérine / thréonine liée avec un N-acetyl galactose en dont le OH anomérique est en position alpha * **N-glycosylation:** asparagine liée avec un N-acetyl glucose dont le OH anomérique est en position bêta ### Glycolipides: Chaîne glycanique plus-ou-moins longue et ramifiée, toujours liée à la sphingosine. ### Proteoglycanes transmembranaires: Petits protéoglycanes avec un domaine extramembranaire qui porte un nombre variable de chaînes répétitives (GlycosAminoGlycanes GAG) de sucres. Il y a toujours présence de chondroïtine-sulfate, seule ou associée à d'autres sucres. On retrouve également un noyau protéique transmembranaire et un domaine cytoplasmique associé aux microfilaments d'actine. On a donc 3 domaines :- domaine extracellulaire portant les GAG, segment protéique transmembranaire, domaine cytoplasmique en relation avec le cytosquelette. ### Sucres membranaires: Enchaînements de sucres variables et de GAG, avec fixation sur des protéines transmembranaires ou sur des lipides membranaires. On en retrouve une très grande quantité, qui forme le glycocalyx: c'est un composant ubiquitaire mais qui n'est pas constitué que de sucre. C'est une structure sucrée qui se place autour de la cellule et qui porte de très nombreuses charges négatives, ce qui attire donc les cations et les molécules d'eau. (Fonction hygroscopique) ### Rôle: * **Protection:** grâce au glycocalyx qui sert de marqueur de différenciation en fonction des différents sucres présents ou pour la reconnaissance cellulaire. Présence de charges négatives en raison des acides sialiques qui jouent un rôle dans les interactions. * **Récepteurs:** reconnaissance spécifique des types cellulaires donc marqueurs de la différenciation. ## G. Architecture fonctionnelle de la membrane La membrane plasmique est une bicouche lipidique, qui forme donc une triple épaisseur. La rigidité et la forme cellulaire sont en rapport avec les interactions des protéines membranaires avec le cytosquelette pour toutes les cellules, et avec les éléments de la MEC sauf pour les cellules circulantes. (hématies) ### Fluidité membranaire: Les éléments qui composent la membrane sont mobiles et peuvent donc interagir entre eux et avec des éléments intérieurs ou extérieurs. C'est donc une mosaïque fluide. Lorsque la membrane contient des lipides insaturés (la proportion dépend du type cellulaire), l'espace entre les lipides est plus grand et donc la fluidité augmente. Cette fluidité varie avec la température, l'insaturation, et le pourcentage de cholestérol (inversement proportionnel). Les lipides sont mobiles par 4 types de mouvement : * **Diffusion latérale**. * **Flexion**. * **Rotation**. * **Flip-flop:** le lipide change de côté, réalisé par des enzymes. ### Les protéines avec un ancrage lipidique ont une mobilité importante due à la mobilité du lipide, mais les protéines transmembranaires sont moins mobiles: * Elles sont uniquement capables de diffusion latérale et de rotation. * Les protéines transmembranaires sont par ailleurs restreintes à certains domaines, et leur mouvement est modulé par leurs interactions. Ainsi, elles n'ont aucun échange de protéine entre les feuillets (pas de flip-flop), et ont donc un rôle de capping et d'adhérence. ### Capping: Quand les récpteurs ont fixé leur ligand, ils vont s'associer entre eux pour être internalisés dans une vésicule à l'intérieur de la cellule. ### Éléments différenciés : * **Microvillosités:** augmentation de la surface d'échange. Immobiles. Longueur variable and diamètre régulier. * **Replis basaux:** portent de nombreuses mitochondries nécessaires au fonctionnement de pompes. Immobiles. * **Éléments mobiles:** cils, stéréocils (varient en fonction des années), and flagelles. * **Interdigitations latérales:** repliements de membrane entre deux cellules: augmentation de la surface d'échanges. # VI. Noyau ## A. Généralités Le noyau est la zone centrale de la cellule et l'organite le plus volumineux, avec une masse compacte. Toutes les cellules humaines sont mononuclées, sauf les myocytes (forment un syncitium), les hépatocytes sont polynuclées (car les cellules du foie et des muscles striés ont besoin d'une protéosynthèse importante) tandis que les cellules du cristallin (keratinocytes) et les hématies sont anucléées. (Pour la transparence au niveau du cristallin et pour la forme biconcave au niveau des hématies). La forme, le volume et la position peuvent varier en fonction de la cellule. Le noyau est composé au total de l'enveloppe nucléaire, du nucléole, et des pores nucléaires. ## B. Composition ## C. (L'ADN) ### Organisation de l'ADN: Les repliements successifs forment la double-hélice d'ADN. Cette double-hélice est faite de motifs répétés : les nucléosomes. Ce sont des enroulements de 150 paires de bases d'ADN autour d'une histone, ce qui forme des complexes protéiques. Les nucléosomes s'organisent ensuite en fibres chromatiniennes jusqu'à former des solénoïdes de nucléosomes. Entre chaque nucléosome on retrouve 50 paires de bases et des histones H1. (voir schéma 1 page 37) ### Histones: Les histones sont des protéines de petit taille (chaque codon de 3 bases correspond à un acide aminé) et basiques (lysine / arginine: charges positives). Ce qui leur permet de se fixer à l'ADN (chargé négativement) et à l'enveloppe nucléaire. Il en existe 8: 2 H2A, 2 H2B, 2 H3, 2 H4, et des histones H1. ### Modifications: Les histones sont des protéines et peuvent donc subir certaines modifications post-traductionnelles : * **Domaine N-terminal**: acétylation qui déclenche la transcription (la liaison ADN-histone est donc cassée ainsi l'ADN est libre pour la transcription), méthylation, phosphorylation. * **Domaine C-terminal**: ubiquitinylation. Ces modifications induisent directement une modification du degré de condensation de l'ADN et donc du niveau de compaction. Indirectement, elles forment des marques qui permettent le recrutement de protéines capables de modifier la structure de la chromatine. ### Chromatine et matrice nucléaire: Il existe des protéines non-histones qui contrôlent l'organisation et le métabolisme de l'ADN. Elles jouent notamment sur la taille et la forme du noyau, sur la disposition des centromères et des télomères lors de la réplication, ou sur l'organisation des boucles de l'ADN. Sur ces boucles, les protéines non-histones peuvent isoler une boucle nucléosomique de grande taille lors de la réplication et de la transcription. Cette boucle renferme le plus souvent une origine de réplication et des promoteurs et est située entre le solénoïde et la partie attachée de l'ADN. ## D. Mitose - remodelage de l'ADN L'ADN compte 23 paires de chromosome l'Homme: 22 paires d'autosomes et une de chromosomes sexuels (gonosomes) XY. On retrouve par ailleurs un étranglement au niveau des centromères, ainsi que deux bras court (p) et bras long (q). On numérote les chromosomes par taille. ### Remodelage du noyau: Les filaments de lamine constituant la corbeille nucléaire sont déstabilisés par phosphorylation. Ils perdent alors leur organisation et se fragmentent, ce qui libère les chromosomes et permet la mitose. ### Fonction du noyau: Le noyau sert à contenir et à répliquer l'ADN, ainsi qu'à produire l'ARN. Il existe un flux bidirectionnel lors de la protéogenèse. ## E. Pores nucléaires ### Généralités: Le noyau compte 3000 à 4000 pores, ce qui représente un tiers de sa surface. Ces pores sont formés de 2 anneaux glycoprotéiques ancrés sur les deux faces de l'enveloppe et comportant chacun 8 sous-unités. On retrouve ainsi un anneau cytoplasmique, un anneau nucléoplasmique, et un petit anneau nucléoplasmique formant un panier. Au milieu on trouve un canal central lié aux anneaux par deux ensembles de 8 bras radiaires. Les canaux sont bidirectionnels. (Se fait selon un cycle: Reconnaissance, fixation/translocation/libération, recyclage. ## F. Récepteurs ionotropes Le récepteur AMPA est un récepteur ionotrope au glutamate, présent dans les synapses et qui permet d'exciter le neurone suivant. Il est sensible à un ligand dont la fixation ouvre un canal ionique. On retrouve ainsi sur le récepteur un Ligand Binding Domain LBD (NB: site de liaison du ligand) dans la partie proche de la membrane. Il induit un changement de conformation qui ouvre la partie supérieure du canal grâce à des parties <<< charnières >>>. C'est une transduction directe car les ions vont pouvoir entrer dans la cellule après fixation de glutamate. ## G. Récepteurs couplés aux protéines G ### Généralités: Les récepteurs à protéine G sont des récepteurs métabotropes. Le système de récepteurs à protéine G est composé d'un récepteur extracellulaire plus ou moins sensible à un ligand, de protéines G possédant 3 types de sous-unités α, β, γ, et d'un effecteur avec une activité enzymatique parfois multiple. On y retrouve 20 types de sous-unités a, 7 types de sous-unités ẞ, et 11 types de sous-unités Y d'activation des autres sous-unités a et ẞy. Ce système permet une amplification-relai du signal, ou une intégration-modulation de la réponse. On retrouve par ailleurs des cycles d'activation-inactivation des protéines G constitutives. (Swich on et Swich off) # VII. Adhérence cellulaire ## A. Généralités L'adhérence est fondée sur un système de reconnaissance des cellules par des molécules d'adhérence spécifiques. Elles sont exprimées à la membrane avec un domaine extracellulaire qui est un domaine d'interaction. Elles permettent des liaisons moléculaires directes faibles et l'adhérence est modulée par la cellule et localement : on observe des fonctions différentes selon le type cellulaire et son emplacement. Ce contact et ses effets sont locaux, pas de conséquences en dehors de cette zone d'interaction. Après dissociation des cellules d'un même tissu, on peut observer une reconstruction de l'architecture entre les cellules en fonction de la quantité de E-cadherine (NB: E signifie épithélial). ### Expérience 1: Les cellules d'un même tissu portent des molécules d'adhérence différentes : N et E cadhérine. Si on dissocie ces cellules elles vont ensuite se réassocier avec les cellules qui portent la même molécule d'adhérence. Association des cellules qualitative ici. ### Expérience 2: Les cellules d'un même tissu qui portent la même molécule d'adhérence n'en ont pas en quantité identique. L'association se fait donc ici en fonction du degré d'expression, association quantitative. ## B. Molécules d'adhérence Une molécule d'adhérence est en général une glycoprotéine ou un protéoglycane, et possède un triple domaine : * **Extracellulaire:** capteur. * **Membranaire:** ancrage. * **Cytoplasmique:** transduction (transmission du signal). ### Partie extracellulaire: Cette partie est responsable de l'interaction entre la molécule d'adhérence et son ligand, avec une complémentarité conformationnelle. Elle permet de former des interactions faibles, non-covalentes et donc réversibles, dépendantes ou non du calcium Ca2+. Le site de liaison au ligand est une séquence consensus (donc sur la molécule d'adhérence), et sur le ligand l'adhésiotope est une séquence: * **Peptidique:** RGD: arginine - glycine - aspartate. * **Oligosaccharidique:** sialyl Lewis W (chaîne de sucres qui permet l'interaction cellule/cellule), unités disaccharidiques de l'acide hyaluronique (cellule/matrice). L'adhésiotope est une séquence sur le ligand qui va lier le site de liaison de la molécule d'adhérence. ### Partie cytoplasmique: Cette partie réalise la transduction mécano-chimique, c'est-à-dire la transmission d'un message mécanique ou chimique extracellulaire en une information captée par le noyau et pouvant réguler l'expression génique. On retrouve ainsi deux types de signaux: * **Signal mécanique**: grâce à des liaisons au cytosquelette par des protéines intermédiaires (taline, vinculine, caténines...), la molécule d'adhérence peut modifier le cytosquelette d'actine. Cela peut ainsi transmettre une signalisation intracellulaire ou modifier la structure de la cellule et donc engendrer un mouvement. Mais ces interactions protéines - protéines sont réversibles. * **Signal chimique**: la molécule d'adhérence peut engendrer une signalisation intracellulaire directe (par activité tyrosine-kinase) ou indirecte (par recrutement de kinases cytoplasmiques). Ces kinases peuvent alors activer d'autres protéines qui peuvent elles-mêmes, par des réactions en chaîne, modifier l'expression de certains gènes. Les protéines kinases sont des enzymes de phosphorylation, et la phosphorylation d'une protéine entraîne le plus souvent son activation. ## C. Régulation des mécanismes d'adhérence ### Régulation du récepteur membranaire: On retrouve 2 types de régulation du récepteur membranaire : * **Qualitative:** la cellule peut activer ou désactiver certaines molécules d'adhérence (intégrines) pour en modifier le degré d'activité et donc le degré de liaison au ligand. * **Quantitatives:** on peut retrouver une diminution de l'expression du récepteur par internalisation, ou une surexpression membranaire par deux moyens : * Mobilisation d'un pool cytoplasmique pré-préparé, action rapide. * Modulation de l'expression génique, action lente. ### Modification de l'affinité vis-à-vis du ligand: La cellule peut engendrer un changement conformationnel du domaine de liaison ou une mobilisation et un regroupement des molécules d'adhérence pour former les plaques d'adhérence focale. (Beaucoup de molécules d'adhérence au même endroit afin de former un complexe transitoire stable, jonctions qui se forment et disparaissent vite) ### Récepteurs solubles: Lorsque la cellule doit diminuer son adhérence, notamment dans le cas de cellules cancéreuses, on peut retrouver un mécanisme de production de récepteurs solubles, il y en a alors moins d'exprimés à la membrane et donc moins d'adhérence. Cela peut se faire par clivage enzymatique (protéases) ou par épissage alternatif (production du domaine extra-cytoplasmique seul), ce qui a comme conséquence une compétition entre récepteurs et ligands et donc une diminution ou une abolition du signal. Ces récepteurs solubles sont des pièges à ligand qui empêchent au ligand de se fixer sur le récepteur sur la cellule et d'avoir une action biologique. ## D. Conséquences et implications L'adhérence permet le mouvement cellulaire par ancrage notamment à la MEC, ce qui permet à la cellule de se mouvoir sur cette plateforme. Elle permet aussi une régulation du phénotype cellulaire et donc une adaptation au milieu extracellulaire car la cellule modifie l'expression de ses gènes. Lors de la vie embryonnaire, l'adhérence permet la ségrégation des cellules, le regroupement, et la différenciation. ### Lors de la vie adulte, les molécules d'adhérence sont impliquées dans le maintien de l'intégrité tissulaire, dans la différenciation et le mouvement cellulaire, dans l'hématopoïèse (renouvellement des cellules sanguines), dans l'hémostase (création du clou plaquettaire), ainsi que dans la réponse immunitaire et la réaction inflammatoire. ### Lors de processus pathologiques l'adhérence peut être utilisée par des cellules, comme lors de la cancérogenèse et la production de métastases, ainsi que lors d'infections par des bactéries qui utilisent ces molécules d'adhérence (comme les adhésines) pour pénétrer dans la cellule-cible: Comprendre qu'il s'agit d'un mécanisme physiologique, l'adhérence qui est détourné par les pathogènes. Ce n'est pas fait pour les pathogènes à l'origine. C'est le cas pour ne nombreux mécanismes en biologie cellulaire. ## E. Molécules d'adhérence ### Classification: La classification des molécules d'adhérence est fondée sur le type d'interactions CAM ou SAM. ### Superfamille des immunoglobulines: Ces molécules ont une analogie de structure avec les anticorps concernant la partie extracellulaire en boucles. Ce domaine extra-cytoplasmique est stabilisé par des ponts disulfures, avec une structure secundo-tertiaire de type immunoglobuline. Le domaine cytoplasmique est associé à une activité tyrosine-kinase directe ou indirecte et l'adhérence est Ca²+-indépendante, CAM, homo ou hétérophilique, et homo ou hétérotypique. L'expression est ubiquitaire, ce qui permet des rôles multiples. ### Cadhérines: Les cadhérines possèdent une portion extra-cytoplasmique avec des domaines répétés et une liaison au calcium. Le domaine cytoplasmique présente des liaisons au cytosquelette d'actine par interaction avec des caténines. L'adhérence est de type CAM, homophilique, homotypique, et Ca²+-dépendante. Les cadhérines sont ainsi médiatrices de la cohésion intercellulaire, puisqu'elles constituent les jonctions pour les contacts aux faces latérales des cellules. On retrouve de la E(épithéliale)-cadherine et de la N(neural)-cadherine. ### Sélectines: Les sélectines possèdent un domaine extra-cytoplasmique de liaison à la lectine (sucre). L'adhérence est hétérophilique, hétérotypique, CAM, et Ca²+-dépendante. Ces molécules sont très importantes pour les cellules circulantes et pour l'endothélium, puisqu'elles permettent la diapédèse sortie des vaisseaux sanguins. On retrouve de la E(épithéliale)-sélectine