Interactions entre les cellules et l'environnement/La matrice extracellulaire

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Introduction

L’espace extracellulaire est rempli par un enchevêtrement complexe de molécules qui constitue la matrice. Elle est constituée de protéines sécrétées localement, de polysaccharides (GAG) des sels et d’eau.

Les constituants de la matrice sont synthétisés et excrétés par des cellules (fibroblastes, chondroblastes, ostéoblastes) et dégradés par des enzymes, les MMP (métalloprotéases matricielles).
Dans les tissus conjonctifs, les variations des quantités relatives des macromolécules et leurs modes d’organisation dans la MEC engendre une multiplicité de conformation : elle peut prendre un aspect synovial (liquide synovial, riche en polysaccharides), un aspect gélatineux (tendons, forte concentration en matières fibreuses), ou solide (os, riche en phosphates de calcium).
La matrice joue un rôle fondamental dans le maintien des cellules. À la jonction entre l’épithélium et le tissu conjonctif (sous-jacent), la matrice forme une membrane basale, treillis de 50 à 200 nm d’épaisseur.

On trouve, à certains endroits, des cellules (fibroblastes dans le tissu conjonctif).

Macromolécules de la surface cellulaire

Les macromolécules constituent la MEC, elles sont sécrétées par les cellules matricielles : les fibroblastes (tissus conjonctifs), les chondroblastes (tissus cartilagineux), les ostéoblastes (tissus osseux), pour ne citer que les cas les plus généraux.

On distingue les polysaccharides GAG reliés de façon covalente à une protéine, formant les protéoglycanes (PG), des protéines fibreuses. Au sein de cette dernière catégorie, on distingue les protéines fibreuses structurales (collagène et élastine) et les protéines fibreuses adhésives (fibronectine et laminine).

Les chaînes de glycosaminoglycanes (GAG)

Les glycosaminoglycanes, ou muccopolysaccharides, sont des chaînes polysaccharidiques non ramifiées. Chaque chaîne est constituée d’une unité répétée (A-B) de 10 saccharides (A et B sont des saccharides différents). On a un glucide aminé (N-ac Glc ou Gal) et un acide uronique. Dix groupes principaux sont distingués par leur composition, parmi eux on retiendra la chondroïtine sulfate, l'acide hyaluronique, la kératane sulfate, l'héparane sulfate, l'héparine et la dermatane sulfate.

1. L'acide hyaluronique : molécule simple, composée d’une séquence répétitive d’unités disaccharidiques non sulfatées. Les résidus glucidiques ne sont pas sulfatés (contrairement aux autres glucosaminoglyanes). Un acide hyaluronique peut posséder jusqu’à 25000 unités.
2. Les autres GAG : ils possèdent des chaînes plus courtes et contiennent des glucides sulfatés. De ce fait, les GAG possèdent une forte charge négative, ce qui leur permet de se lier à un grand nombre de cations, ceci créant une absorption d’eau et donc une pression. Du fait de l’organisation poreuse et hydratée, les chaînes de GAG forment un support mécanique tout en permettant la migration cellulaire et la diffusion des molécules hydrosolubles : cet espace n’est pas inerte.

Par exemple, le FGF, le TGF, se lie à la matrice : elle concentre les facteurs dans des espaces spécifiques. Ce mécanisme de libération programmé entre dans le cadre du développement embryonnaire. À l’exception de l’acide hyaluronique, tous les GAG sont attachés de façon covalente à des protéines pour former des protéoglycanes (PG). Les protéoglycanes sont très hétérogènes, ils peuvent varier par leur composition protéique, leur masse cellulaire, leur nombre de GAG. Ils peuvent être assemblés en complexes gigantesques par liaison à de l’acide hyaluronique.

Les cellules synthétisent des protéoglycanes au niveau de la MEC : agrécan (constituant du cartilage), perlécan (constituant de la membrane basale), mais également des composants intrinsèques des membranes plasmiques : syndécan et glypican.

Le collagène

Il constitue une famille de glycoprotéines fibreuses présentes dans la MEC exclusivement. Il est sécrété par les fibroblastes et constitue les protéines les plus abondantes chez les mammifères (25% des protéines). On a identifié une vingtaine de types de collagènes. Les types 1, 2 , 3 et 4 sont les plus présents. Les fibrilles de collagène s’organisent en fibres de plusieurs micromètres de diamètre.

L’aspect caractéristique des molécules de collagène (300 nm de longueur, 1,5 nm de diamètre) est la structure hélicoïdale, constituée de chaînes alpha (1000 acides aminés de longs). Les chaînes sont assemblées les unes avec les autres pour former la molécule de procollagène (alignement grâce à des ponts disulfures).
Plusieurs fibrilles forment des fibres de collagène. La résistance des fibres de collagène est considérablement augmentée par la formation de liaisons covalentes entre les lysines.
La périodicité du collagène est visible au microscope électronique.

Les fibrilles de collagène confèrent aux tendons, aux ligaments, à l’os et au tissu conjonctif dense une résistance à la traction et confère une résistance mécanique.
Les fibrilles de collagène possèdent des diamètres variables dans les différents tissus :

• dans la peau : les fibrilles sont entrelacées, de telle sorte qu’elles résistent à des tractions
• dans les tendons : organisation en faisceaux parallèles alignés le long de l’axe principal de la tension.
• dans la cornée de l’œil : le collagène est organisé en couche ordonnée (comme un contreplaqué).
• dans le tissu osseux : les fibrilles de type I sont organisées en couches régulières renforcées par des cristaux de phosphate de calcium
• dans le cartilage et les corps vitrés, les fibrilles de type II séquestrent les GAG et les PG, permettant la transparence du milieu (pour le corps vitré)

Le collagène de type IV se trouve dans la membrane basale. Les molécules sont organisées en réseau multicouche (apportant un soutien mécanique). Elles ne forment pas des fibrilles. Les segments, non organisés en hélices, assurent la flexibilité des cellules, les domaines globulaires donnent au complexe l’aspect en treillis.

L'élastine

Elle se trouve dans l’ensemble de l’organisme, mais de façon plus importante dans la paroi des artères et dans les poumons (déformation au cours de la respiration). Un réseau de fibres élastiques leur donne une structure permettant de retrouver la structure initiale. Les fibres élastiques sont constituées de microprotéines de fibrilline enfouies dans un milieu amorphe d’élastine (protéine non glycosylée très hydrophobe). Les molécules d’élastine forment un réseau très étendu.

Sa structure réticulée repliée au hasard permet au réseau élastique de se tendre et se détendre comme un élastique.
Les fibres élastiques peuvent coexister avec des fibres de collagène. Les fibres de collagène ne suivent pas l’étirement des fibres de collagène.

La fibronectine

La MEC contient un certain nombre de glycoprotéines d’adhésion, qui se lient à la fois à des fibres de collagène et aux cellules, favorisant la cohésion entre molécules de la matrice elle-même. Il s’agit d’une glycoprotéine volumineuse, qui existe sous deux formes : une forme cellulaire (présente dans les tissus où elle est assemblée en matrice fibrillaire) et plasmatique (sécrétée dans le sang et d'autres fluides corporels où elle reste sous une forme soluble non fibrillaire, elle augmente la cicatrisation et la coagulation sanguine, elle intervient également dans la phagocytose).

Chaque glycoprotéine est formé de domaines distincts séparés par des segments de chaîne polypeptidiques flexibles (séparant les différents domaines). La dimérisation semble être nécessaire pour en une matrice fibrillaire. Le gène de la fibronectine peut être excisé (expression de plus de 20 monomères possibles chez l’homme et 12 chez la souris = large variété de dimères de fibronectine).

Les dimères de fibronectines sont reliés les uns avec les autres par des ponts disulfures. Les propriétés sont diverses : les domaines sont organisés en plusieurs unités fonctionnelles, dont chacune contient un ou plusieurs sites de liaisons à des composants de la surface cellulaire (ou de la MEC). Les sites de liaison des ligands ont été identifiés par l’expression de fragments de fibronectine. Le site de fixation aux cellules contient la séquence d'acides aminés RGD (arginine, glycine, acide aspartique ) reconnue comme site de liaisons aux cellules. Elle se trouve au niveau de la fibronectine, on la trouve au niveau d’autres protéines extracellulaires. La séquence RGD se lie à une classe de protéines de la membrane plasmique, que l’on appelle protéines intégrales de la membrane plasmique.

Le développement embryonnaire est marqué par des migrations cellulaires, les cellules sont guidées au cours de leur trajet par la fibronectine. Ce n’est pas la seule protéine impliquée dans la migration et l’adhésion matrice/cellule : on peut citer la terracine (glycoprotéine extracellulaire), mais sa répartition est plus faible.

La laminine

Elle appartient à une famille de glycoprotéines extracellulaire, constituées de 3 chaînes polypeptidiques reliées par des ponts disulfures. On reconnaît 5 types de chaînes alpha, 3 types de bêta et 3 gamma, qui peuvent s’assembler pour former différentes isoformes de laminines, chacune ayant une répartition caractéristique.

La molécule a une forme de croix, avec 3 bras courts (2 qui contiennent 2 domaines globulaires et un troisième qui en contient 3) et un bras long (constitué de 3 chaînes en triple hélice). La laminine peut se lier au collagène de type 4, afin de former la membrane basale. La laminine peut également se lier à d’autres molécules de laminines et à d’autres constituants de la lame basale (héparane sulfate, récepteurs de surface, PG).

Les laminines extracellulaires jouent un rôle dans la migration cellulaire : au cours de leur migration, les cellules germinales primordiales traversent des surfaces riches en laminine. Les cellules germinales primordiales possèdent une molécule qui adhère fortement à la molécule de laminine, permettant la migration. Il a été montré que certaines cellules comme les kératinocytes migrent dans une matrice de laminine synthétisé par ces cellules.

Structure spécialisée de la MEC : la lame basale

Il s'agit d'un mince treillis continu d’une MEC spécialisée qui se trouve à la base de toutes les structures épithéliales (ce n’est pas une membrane continue). Son épaisseur est variable, de 50 à 200 nm. Elles sont en grande partie synthétisées par les cellules épithéliales. Il s’agit d’un réseau dense de collagène de type IV, de protéoglycanes (éparane sulfate) et de laminine (les molécules de collagène de type 4 s’auto-assemblent en réseau ramifié bidimensionnel). D’autres protéines, comme l’entactine (protéine enbâtonnée), stabilisent la liaison entre collagène et laminine, le perlécan forme d'autres liaisons de pontage.

Outre la fonction de structure et de filtrage (des macromolécules), les lames basales permettent de définir la polarité cellulaire, de réguler les échanges, d’organiser des protéines dans les membranes plasmiques adjacentes, de réguler la migration cellulaire (transduction du signal) ou d’induire la différenciation cellulaire.

Remodelage de la MEC

De nombreux mécanismes physiologiques permettent de contrôler la matrice extracellulaire. Ce contrôle est assuré par une famille d’enzymes, les métalloprotéases matricielles, ou MNP. Les substrats de ces enzymes sont des composants de la MEC. Les métalloprotéiases assurent une dégradation contrôlée, des inhibiteurs endogènes agissent afin de contrôler les MNP, ce sont les TIMP.

1. Les métalloprotéases et leur régulation.

Les métalloprotéases sont des enzymes zinc-dépendantes, ayant une activité endopeptidasique (hydrolyse des protéines). On distingue la MMP-1 (collagénase 1), la MMP-2 (gélatinase A) et MMP-3 (stromélysine 1). Elles sont généralement sécrétées dans la matrice extracellulaire. Toutes les métalloprotéinases sont sécrétées sous forme de proenzymes ou pro-peptides inactifs (les zymogènes). Elles sont activées par hydrolyse post-traductionnelle soit à l'intérieur de la cellule, soit à l'extérieur. Une liaison entre un résidu cystéine contenu dans la séquence du pro-peptide et l'atome de zinc associé au site catalytique permet le maintien de la latence de la pro-MMP par un masquage du site enzymatique, le mécanisme d’activation requiert la destruction de cette interaction.

L’activité des MMP est inhibé par les TIMP. Ce sont des glycoprotéines sécrétées dans l’espace extra-cellulaire. On en a identifié 4 types : de TIMP1 à TIMP4.

Les MMPs interviennent dans de nombreux processus physiologiques : embryogenèse, menstruations, ovulation, implantation du blastocyste (à la fin de la première semaine de développement), cicatrisation, angiogenèse, migration cellulaire, morphogenèse… Mais une activité excessive ou inappropriée des MMPs peut induire une destruction non contrôlée de la MEC. Le maintien de l'équilibre métabolique de la MEC se fait grâce à l’expression contrôlée des TIMPs au cours du remodelage tissulaire, ils participent donc à l'inhibition de l'invasion cellulaire, de la tumorigenèse, de la formation des métastases, d la plasticité synaptique…

1. Les protéines ADAM.

Les protéines de la famille ADAM (A Disintegrin And Metalloprotease) sont des protéases transmembranaires, avec une région extra-cellulaire, comportant un domaine métalloprotéase, et un domaine désintégrine. On parle également de famille MDC à cause du domaine riche en cystéine. Ces protéases clivent et libèrent les domaines extracellulaires des protéines de surface, elles ont donc une implication dans le contrôle de la fusion membranaire, la maturation des cytokines et facteurs de croissance, la migration cellulaire, le développement musculaire et la fécondation.

Elles sont également inhibées par les TIMPs. Des pathologies (inflammations et cancer) impliquent ces protéines.