Cytologie-Biologie Cellulaire : 10. La Matrice Intercellulaire ou Extracellulaire. A. CHAABENA

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1 Université Kasdi MERBAH - OUARGLA Faculté des Sciences de la Nature et de la Vie et des Sciences de la Terre et de l'Univers Département de Biologie

2 Ahmed CHAABENA 2

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6  Il est aujourd’hui démontré que tous les tissus contiennent de la matrice intercellulaire en quantité variable,  et on réalise que la transition entre les tissus parenchymateux, tel le foie, par exemple, et les tissus appelés classiquement «conjonctifs», comme une lame tendineuse, n’est que quantitative.  Il n’y a pas de différence qualitative essentielle entre les tissus leur présence est constante dans tous les tissus  Il n’y a pas de différence qualitative essentielle entre les tissus car, bien que la qualité et la quantité des macromolécules de la matrice intercellulaire varient, leur présence est constante dans tous les tissus. Ahmed CHAABENA 6

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8  Dans la plupart des cas, les molécules d'adhérence peuvent être considérées comme des récepteurs, c'est-à-dire des protéines transmembranaires capables de fixer un ligand.  Cependant, à l'inverse des récepteurs aux hormones et neurotransmetteurs présents à la surface cellulaire, les ligands qui interagissent avec les molécules d'adhérence sont généralement insolubles. Ahmed CHAABENA 8

9  Ce sont souvent les molécules d'adhérence elles- mêmes (présentées par les cellules adjacentes) ou encore des composants de la matrice extracellulaire.  Lorsqu'il s'agit d'une interaction entre deux molécules d'adhérence identiques (interaction homophile), on parle du récepteur et de son contre-récepteur.  La molécule d'adhérence qui se comporte comme un récepteur, émet des signaux intracellulaires qui modulent des processus intracellulaires (outside-in signalling). Ahmed CHAABENA 9

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11  L'espace extracellulaire (espace entre les cellules) est rempli par un enchevêtrement complexe de macromolécules qui constituent la matrice extracellulaire.  Certaines cellules sont spécialisées dans la production de cette matrice :  Par exemple, les fibroblastes qui construisent l'essentiel des tissus conjonctifs, les chondroblastes qui élaborent le cartilage hyalin, les ostéoblastes qui produisent l'os et les synoviocytes qui sont responsables de la production du liquide synovial dans les articulations. Ahmed CHAABENA 11

12  La matrice extracellulaire est composée d'un ensemble de polysaccharides et de protéines.  Les polysaccharides sont des glycosaminoglycanes (GAG) qui sont généralement reliés de façon covalente à une protéine pour former des protéoglycanes.  Dans la composante protéique de la matrice, on distingue : un premier groupe, constitué par le collagène et l'élastine, essentiellement responsables de la structure de la matrice et un second groupe, moins abondant, constitué par la fibronectine et la laminine. Ce dernier est plutôt impliqué dans l'organisation de sa structure (formation d'une trame) et dans l'adhérence cellule-matrice. Ahmed CHAABENA 12

13  Ainsi, cette matrice est composée de quatre familles de macromolécules :  les collagènes et l’élastine formant une trame de protéines fibreuses,  dont les interstices sont remplis par les protéoglycannes ;  enfin, les glycoprotéines de structure assurent la cohésion entre cellules et matrice. Ahmed CHAABENA 13

14  La matrice intercellulaire joue un rôle important dans l’histogenèse, la différenciation et la morphogenèse.  Ses modifications qualitatives et quantitatives sont en cause dans de nombreux états pathologiques (voir COLLAGENE, ÉLASTINE). Ahmed CHAABENA 14

15  Les glycosaminoglycanes sont de longues chaînes composées d'unités disaccharidiques répétitives.  Un des deux résidus glucidiques est toujours un glucide aminé (N-acétylglucosamine ou N- acétylgalactosamine)  et le second est habituellement un acide uronique (glucuronique ou iduronique). Ahmed CHAABENA 15

16  Les GAG se répartissent en quatre types principaux :  l'acide hyaluronique (d'hyaloïde (humeur vitrée) et acide uronique),  la chondroïtine sulfate,  l'héparane sulfate et  le kératane sulfate. protéoglycanes  A l'exception de l'acide hyaluronique, tous les GAG sont liés de façon covalente à une protéine pour former des protéoglycanes. Ahmed CHAABENA 16

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18 Composition chimique des unités disaccharidiques des glycosaminoglycannes. Ahmed CHAABENA 18

19  Les GAG, particulièrement l'acide hyaluronique, forment des mailles qui leur permettent d'absorber de grandes quantités d'eau (grâce à leur charge).  Ils constituent un gel d'un volume considérable, 1 000-10 000 fois le volume initial.  Cela crée une pression de gonflement, ou turgescence, qui permet à la matrice de résister aux forces de compression.  Dans le cas de l'acide hyaluronique, les chaînes de plus de 50 000 répétitions peuvent exister, atteignant une longueur de 4 mm. Ahmed CHAABENA 19

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22  La protéine porteuse (P) représente l’épine dorsale de l’édifice sur lequel sont greffées les chaînes polysaccharidiques (« mucopolysaccharides ») appelées glycosaminoglycannes (GAG).  Cette greffe sur la protéine porteuse s’effectue le plus souvent avec une séquence sérine-O- xylose-galactose-galactose-acide uronique-thréonine (reste de la chaîne des GAG).  D’après la composition de la chaîne, des GAG peuvent être classés en plusieurs catégories (tableau).  Souvent une même chaîne polysaccharidique peut être un « hybride » de plusieurs types de séquences (par exemple des séquences C-4-S et DS – tableau – peuvent s’alterner dans la même chaîne).  La partie distale de la protéine porteuse comporte un site de fixation pour l’acide hyaluronique, un GAG spécial, non sulfaté, de haut poids moléculaire, que relient entre elles plusieurs, voire plusieurs dizaines, de PG, constituant ainsi de gros agrégats macromoléculaires qui remplissent les espaces interfibrillaires, limitant l’accès des macromolécules volumineuses à cet espace et retenant par contre de fortes proportions d’eau dans ces lacis (effet hydratant). Ahmed CHAABENA 22 Représentation schématique des protéoglycannes (PG) et des glycosaminoglycannes (GAG) du cartilage.

23 la crête du coq le placenta  Autres exemples, la crête du coq et le placenta dont la turgescence est permise grâce à la présence de quantités importantes d'acide hyaluronique.  Les GAG ont aussi un rôle essentiel dans la migration cellulaire au cours de la morphogenèse et de la cicatrisation des tissus (voir aussi la protéine de liaison du cartilage) :  En cas de blessure, après la coagulation du sang, le premier produit qui entre dans la lésion est l'acide hyaluronique.  Il forme un échafaudage qui va servir de support aux cellules leucocytaires et aux fibroblastes pour reconstruire le nouveau tissu. Ahmed CHAABENA 23

24  Leur rôle biologique consiste à contrôler le trafic moléculaire entre le sang circulant dans les capillaires et les cellules.  Ces agrégats de protéoglycannes comportent un «volume exclu» considérable.  Cela signifie qu’un grand nombre de molécules sont «exclues» du volume où se trouvent ces protéoglycannes, simplement à cause de leur encombrement stérique.  Plus une molécule sera volumineuse, plus son volume exclu dans un espace rempli par des protéoglycannes sera important.  Ainsi, par exemple, les petites molécules, comme l’eau, le glucose et d’autres métabolites, peuvent diffuser relativement librement à travers le lacis polysaccharidique, tandis que des molécules protéiques de volume considérable, tels que par exemple les immunoglobulines (150 000 à 600 000) ou les lipoprotéines légères (de l’ordre du million) ne peuvent que très difficilement passer à travers le maillage. Ahmed CHAABENA 24

25 l’échafaudage d’un réseau  Certains protéoglycannes possèdent des capacités de reconnaissance spécifique pour d’autres macromolécules de la matrice intercellulaire, tels que la fibronectine ou les collagènes, et jouent ainsi un rôle important dans l’échafaudage d’un réseau macromoléculaire spécifique conférant la spécificité fonctionnelle et structurale aux tissus différenciés. Ahmed CHAABENA 25

26 kératonectine  La première glycoprotéine de structure a été isolée à partir du stroma de la cornée, en 1960, par L. Robert: c’est la kératonectine.  Depuis une dizaine d’années, de nombreux autres composants appartenant à cette même classe ont été isolés et caractérisés à partir d’un grand nombre de tissus conjonctifs d’Invertébrés et de Vertébrés:  fibronectine, laminine, chondronectine, hyaluronectine, entactine. fibronectinelaminine  Les mieux étudiés sont certainement la fibronectine et la laminine. Ahmed CHAABENA 26

27 Énumération de quelques glycoprotéines de structure (GPS) isolées et partiellement caractérisées. Ahmed CHAABENA 27

28  La fibronectine contribue à la fois à organiser la matrice et à favoriser l'adhérence des cellules à la matrice extracellulaire.  La fibronectine, constituée de deux sous- unités  et  (poids moléculaire d'environ 230 kDa chacune) réunies par une paire de ponts disulfure, forme un réseau fibrillaire.  Grâce à l'épissage alternatif de l'ARNm, le même gène est à l'origine de plusieurs sous- unités. Ahmed CHAABENA 28

29  La protéine est essentiellement une association de trois types de domaines (I, II, III) qui se répètent plusieurs fois. intégrines  Les différents domaines s'aménagent en sites d'interactions spécifiques avec d'une part les constituants moléculaires de la matrice extracellulaire (formation d'une trame) et d'autre part les cellules (par l'intermédiaire des intégrines).  Un site important pour la fixation des intégrines est une séquence de trois acides aminés, arginine-glycine-acide aspartique (RGD), et se situe dans le domaine FIII 10. Ahmed CHAABENA 29

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32  La protéine est libérée dans le milieu extracellulaire sous forme globulaire soluble.  Le contact avec les intégrines linéarise la molécule, qui peut ainsi s'associer avec ses homologues et d'autres composants de la matrice extracellulaire.  La fibronectine joue un rôle important dans le guidage des cellules lors des migrations embryonnaires chez les vertèbres (gastrulation et migration des cellules de la crête neurale).  L'importance de la fibronectine est démontrée lors de la transgenèse expérimentale chez la souris :  les embryons dépourvus du gène de la fibronectine ne dépassent pas le neuvième jour embryonnaire à cause d'un déficit dans le développement du mésoderme, du tube neural et des vaisseaux sanguins.  Chez l'adulte, la fibronectine joue également un rôle central dans les processus de cicatrisation. Ahmed CHAABENA 32

33  La laminine est un gros complexe protéique flexible constitué de trois chaînes polypeptidiques,  (165 à 200 kDa),  (140 kDa) et  (105 à 150 kDa).  Douze formes différentes de laminine ont été caractérisées (  1-5,  1-3 et  1-3), composant ainsi onze protéines différentes (par exemple,  1  1  1 ou  2  1  3 etc).  Les trois chaînes forment une croix asymétrique possédant plusieurs sites d'interaction avec les cellules (par l'intermédiaire des intégrines  6  1 et  6  4) et avec les autres composants de la matrice extracellulaire (collagène type IV et héparane sulfate).  La laminine est le constituant essentiel des lames basales. Ahmed CHAABENA 33

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36  La laminine-  2 est essentielle à l'intégrité musculaire.  En effet une mutation dans la sous-unité  2, résultant en la perte d'une lame basale structurée, est responsable de la dystrophie musculaire congénitale.  Cette affection est due à la mort de la cellule musculaire consécutive à l'absence d'un signal de survie qu'envoient les intégrines (en particulier l'intégrine  7  1) à l'intérieur de la cellule, lorsqu'elles se lient spécifiquement avec la laminine.  Dans les nerfs périphériques, on trouve aussi la laminine- qui joue un important rôle dans la formation de la gaine de myéline périaxonale.  Parce qu'elle est responsable d'une myélinisation défectueuse, l'absence de laminine-  2, cause une perte de la stimulation musculaire.  Dans la peau, les laminines 5 (  3  3  2) et 6 (  3  1  1) contribuent à la cohésion derme-épiderme, et des mutations de ces protéines favorisent l'apparition d'ampoules (observées chez les patients atteints d'épidermolyse jonctionnelle bulleuse). Ahmed CHAABENA 36

37  Les intégrines interagissent avec le collagène, la laminine et la fibronectine et sont les molécules d'adhérence les plus impliquées dans l'interaction avec la matrice extracellulaire.  Elles sont composées de deux sous-unités transmembranaires associées de façon non covalente que l'on appelle  et  (  1,2,3… et  1,2,3… et poids moléculaire d'environ 120 kDa et 90 kDa respectivement), avec plusieurs combinaisons possibles. Ahmed CHAABENA 37

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39  Dans les cellules constituant des tissus, comme les cellules épithéliales ou les fibroblastes, on trouve souvent l'intégrine  5  1, qui se lie à la fibronectine, et l‘  6  1 qui se lie à la laminine.  La liaison des intégrines à leurs ligands est dépendante de cations bivalents extracellulaires (le Mn 2+ ou le Ca 2+ ).  A l'intérieur de la cellule, les intégrines interagissent avec le cytosquelette.  Leur nom dérive de leur fonction : elles forment la liaison entre la matrice extracellulaire et le cytosquelette (« intégration » entre les deux).  Pour leur interaction avec la matrice extracellulaire, les intégrines sont assemblées en amas, formant ainsi un point focal d'adhérence.  Du côté intracellulaire, ces amas ponctuels d'intégrines recrutent plusieurs type de protéines qui servent d'intermédiaires de liaison avec l'actine constituant le cytosquelette ; taline (230 kDa), vinculine (110 kDa) et  -actinine (100 kDa). Ahmed CHAABENA 39

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42  Cette famille, caractérisée au départ dans le cartilage (d'où son nom), est spécialisée dans la liaison (non-covalente !) avec les glycosaminoglycanes et reconnaissable à un motif moléculaire « domaine de liaison » (link domain) capable de se lier aux résidus glucidiques des GAG.  Certaines protéines de cette famille sont impliquées dans les seules interactions matrice-matrice, comme : aggrécan, protéine de liaison du cartilage (revoir la figure), versican et brevican.  D'autres sont impliquées dans l'adhérence cellule- matrice et cellule-cellule comme : CD44 et LYVE (lymphatic vessel endothelial hyaluronic acid receptor). Ahmed CHAABENA 42

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44  CD44 présente une variabilité moléculaire remarquable (entre 60 et 200 kDa) due d'une part à l'existence dans son gène de 10 exons (d'environ de 300 nucléotides chacun) qui subissent des épissages alternatifs divers et d'autre part, à sa liaison à des chaînes glucidiques (kératane et chondroïtine sulfate) de longueur variable. CD44 est lié au cytosquelette d'actine par l'intermédiaire d'ezrine (poids moléculaire 60 kDa). Ahmed CHAABENA 44

45  Le CD44 joue un rôle important dans le phénomène de cicatrisation (voir aussi « les chaînes de glycosaminoglycanes (GAG) »). En effet les tissus blessés produisent énormément d'acide hyaluronique qui forme, avec la fibrine déposée par le sang, un échafaudage. Par leur CD44 membranaire, les fibroblastes se lieront avec l'acide hyaluronique, migrant ainsi dans le tissu lésé. Ces fibroblastes reconstruiront le tissu sain. Ahmed CHAABENA 45

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47  Environ un quart de la masse protéique d'un organisme humain, est due au collagène.  Le collagène est la protéine structurale majeure qui forme des armatures, renforçant les structures telles que les tendons, la peau et les organes internes.  Dans les os et les dents le collagène forme un matériau composite avec les sels minéraux (calcium et phosphate). Ahmed CHAABENA 47

48  Les collagènes constituent une famille de protéines fibreuses qui forment le composant principal de la peau et de l'os.  Ils se présentent sous la forme de fibres (0,5 à 3 µm de diamètre et 30 µm de longueur), elles-mêmes constituées de fibrilles plus ou moins nombreuses. Ahmed CHAABENA 48

49  Chaque fibrille est un ensemble des structures hélicoïdales (molécules de collagène, d'environ 50 nm de diamètre et 300 nm de longueur).  Chaque structure hélicoïdale est formée de trois chaînes polypeptidiques-  (poids moléculaire 100 kDa chacune) enroulées les unes autour des autres (à la manière des brins d'une corde). Ahmed CHAABENA 49

50 1. Dans le noyau cellulaire, un gène de structure est traduit en ARN messager. 2. Dans le cytoplasme, celui-ci est transcrit sur les polysomes en chaînes peptidiques pro-alpha. 3. Après l’hydroxylation de la proline et de la lysine, et la glycosylation de l’hydroxylysine, la chaîne pro-alpha est terminée. 4. Ensuite, toujours dans le cytoplasme, trois de ces chaînes pro-alpha s’enroulent en triple hélice pour former dans l’ergastoplasme la molécule de procollagène. 5. À sa sortie de la cellule, cette molécule est clivée par des pro- collagène-peptidases, au niveau de ses deux extrémités C et N- terminales, pour former la molécule de tropocollagène. 6. Enfin, hors du cytoplasme, cinq molécules de ce tropocollagène s’unissent avec décalage d’un quart de longueur l’un par rapport à l’autre pour former la protofibrille élémentaire 7. et plusieurs de ces protofibrilles élémentaires s’associent pour former la fibre de collagène dont l’épaisseur peut être variable. Ahmed CHAABENA 50

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55  A ce jour 25 gènes codant des isotypes de collagène ont été identifiés mais 15 isotypes seulement ont été retrouvés dans les tissus : types I, II, III... à XV.  Chacun est une combinaison unique de trois chaînes . Par exemple, le collagène I est constitué de deux chaînes  1 et une  2 alors que le collagène II est constitué de trois chaînes  1 identiques.  Les collagènes adoptent trois configurations :  les collagènes fibrillaires, type I, II, III, V et XI ;  les collagènes en feuillet (type IV, VIII et X) ;  les collagènes de liaison, type VI, VII, IX, XII et XIV (interaction avec d'autres composants de la matrice extracellulaire). Ahmed CHAABENA 55

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57  Les cellules peuvent se lier au collagène par l'intermédiaire de la molécule d'adhérence intégrine  2  1 qui reconnaît une séquence spécifique, glycine-phénylalanine-proline- glycine-acide glutamique-arginine, située dans le domaine  2-I du collagène.  Quelques exemples :  Les fibres de collagène rendent la lame basale solidaire du tissu conjonctif sous-jacent.  Le collagène est aussi présent dans la matrice du cartilage (avec l'acide hyaluronique et la chondroïtine sulfate) pour résister aux forces de tension qui s'exercent dans les articulations. Ahmed CHAABENA 57

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59  Le bon état de fonctionnement de la peau, des vaisseaux sanguins, des poumons et des tendons, est étroitement lié à leur élasticité, en plus de leur résistance à la tension.  C'est un réseau de fibres élastiques présentes dans la matrice extracellulaire qui leur donne cette élasticité.  Les composants principaux des fibres élastiques sont l'élastine et la fibrilline. Ahmed CHAABENA 59

60  L'élastine est une protéine très hydrophobe d'un poids de 68 kDa.  Les fibres sont essentiellement composées de segments courts qui s'associent par des liaisons lysines dans le domaine hélicoïdal riche en lysine de la protéine.  La raison pour laquelle ces fibres sont élastiques n'est pas encore complètement expliquée.  Une hypothèse probable est que la protéine pourrait adopter plusieurs états en échangeant l'énergie par entropie : fibres étirées sous haute énergie et basse entropie, fibres relaxées sous basse énergie et haute entropie. Ahmed CHAABENA 60

61  La molécule filamenteuse de tropoélastine renferme deux régions différentes, l’une extensible, représentée schématiquement ci-dessus par les boucles larges (coude  ), l’autre plus compacte que représente ci-dessus la zone à boucles courtes. Elles ne renferment pas les mêmes séquences d’acides aminés : les régions compactes renferment la lysine qui, sous l’action de la lysyl oxydase, sera transformée en desmosine, d’où pontage. Ahmed CHAABENA 61

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64  La cellule musculaire lisse de l’aorte produit deux types de macromolécules :  les glycoprotéines de structure microfibrillaires (GPS-mf) et la tropoélastine (te).  Cette dernière se dépose par interaction électrostatique sur la trame microfibrillaire pour former les fibres ou lames élastiques jeunes.  Avec l’âge, la proportion d’élastine pontée (en violet) augmente dans ces lames élastiques au détriment des microfibrilles (en marron) pour donner l’élastine mature.  Au cours du vieillissement, et plus rapidement dans l’artériosclérose, les lames élastiques sont fragmentées, la proportion des microfibrilles glycoprotidiques augmente à nouveau et participe à la fixation de sels calciques. Cet aspect est caractéristique de l’élastine âgée. Ahmed CHAABENA 64