Adhérence cellule-cellule

Par Patrick Pla, Université Paris-Saclay

*Cellules musculaires lisses de souris traitées en immunofluorescence pour voir la N-cadhérine (jaune) et l’actine (mauve). Source : Twitter @jonahbk

Chez les Métazoaires, les cellules se maintiennent ensemble par des adhérences intercellulaires et des adhérences avec la matrice extracellulaire. Cette dernière est traitée ici.

L’adhérence intercellulaire peut être montrée par des expériences simples comme celle ci-dessous :

*Mise en évidence de l’adhérence cellulaire et du rôle des molécules impliquées. Des cellules de rétine d’embryon de poulet de 10 jours de développement sont dissociées puis on les laisse flottante dans un milieu de culture pendant 30 minutes. Elles se réassocient alors en amas. En présence d’anticorps bloquants dirigés contre le domaine extracellulaire de la protéine N-CAM, cette adhérence ne se fait pas. Source : https://ressources.unisciel.fr/biocell/chap3/co/module_Chap3_5.html

L’adhérence intercellulaire maintient la cohésion des tissus et permet de former des barrières entre deux milieux différents. Les cellules peuvent ainsi contrôler les échanges entre ces deux milieux. Au cours du développement, où les cellules peuvent être amenées à changer de position et donc de cellules voisines, les adhérences sont particulièrement dynamiques. Elles peuvent être aussi porteuses d’une information et à ce titre peuvent entrer dans la catégorie des communications juxtacrines.

Les complexes d’adhérence

Ces complexes sont présents surtout dans les épithéliums.

Les adhérences jonctionnelles se présentent comme des complexes moléculaires. Parmi eux, les desmosomes sont composés d’une plaque de 100 à 500 nm de diamètre, constituée de protéines telles que la desmoplakine ou la desmoglobine et de cadhérines desmosomiales transmembranaires (desmogléines, desmocollines). Comme pour toutes les cadhérines, leurs parties extracellulaires se solidarisent en présence de Ca²⁺. La plaque interne est reliée à des filaments intermédiaires. Les desmosomes sont impliqués dans la résistance à la déformation et au stress mécanique des épithéliums (Green et al., 2019). Ils sont aussi présents dans les jonctions entre les cardiomyocytes et permettent de les maintenir solidaires lors de la contraction musculaire cardiaque.

*Histologie du muscle cardiaque. On voit les disques intercalaires (intercalated discs) constitués de desmosomes et de jonctions gap, assurant la cohésion mécanique et électrophysiologique de l’ensemble du muscle. Source : http://mmegias.webs.uvigo.es/02-english/8-tipos-celulares/cardiomiocito.php

La présence de desmosomes est un caractère dérivé partagé exclusif des Eumétazoaires (excluant les Spongiaires parmi les Métazoaires).

Autre adhérence jonctionnelle, les jonctions serrées qui forment la ceinture apicale des épithéliums (et ne sont présentes que chez les Eumétazoaires, excluant les Spongiaires). Elles sont formées de claudines et d’occludines et reliées aux microfilaments d’actine via les protéines ZO-1/-2/-3.

*Structure et fonction des jonctions serrées. A droite, est illustré le fait que ces jonctions sont étanches et assurent que les échanges à travers un épithélium se font en traversant les cellules qui peuvent ainsi contrôler cess échanges. Source : https://ressources.unisciel.fr/biocell/chap3/co/module_Chap3_6.html

Ces jonctions serrées forment une barrière étanche qui bloque la circulation intercellulaire, assurant que les échanges de part et d’autre de l’épithélium se feront à travers les cellules de manière contrôlée (perméabilité sélective de l’épithélium). Une brèche dans les jonctions serrées augmente la perméabilité entre les cellules et peut causer des pathologies (par exemple, des maladies chroniques inflammatoires de l’intestin) (Choi et al., 2017). Les jonctions serrées permettent aussi de restreindre la diffusion des protéines membranaires et donc d’assurer la spécificité de composition du domaine apical et basolatéral de la membrane plasmique des cellules épithéliales.

*Formation de jonctions serrées dans des cellules épithéliales exprimant la protéine fusion ZO1-Cherry (Cherry est un fluorochrome).

Les claudines forment une famille de 27 membres chez les Mammifères. Diverses combinaisons de claudines sont exprimées dans les différents cellules épithéliales. La perte de la claudine 11 dans des souris knock-out n’est pas compensable par d’autres claudines dans les cellules de Sertoli des testicules et aboutit à la perte de leur phénotype épithélial et à une stérilité (Mazaud-Guittot et al., 2010).

Dernière adhérence jonctionnelle, la ceinture d’adhérence ou zonula adherens. Elle est composée de cadhérines et de caténines qui sont reliées à des microfilaments d’actine. L’alternance microfilaments/zonula adherens forme une structure supracellulaire qui coordonne le comportement de la population de cellules. Par ce moyen, une pression ou un étirement à un endroit d’un épithélium sera « ressentie » par d’autres cellules assez loin.

*Ce schéma souligne le rôle de l’actine dans la ceinture d’adhérence. L’actine est reliée à l’α-actinine et plusieurs microfilaments peuvent être reliées à la myosine II qui peut permettre une contraction apicale de la cellule. Les cadhérines sont en rouge. Les microfilaments d’actine sont reliées au domaine intracellulaire des cadhérines par les caténines (en marron). Source : https://ressources.unisciel.fr/biocell/chap4/co/module_Chap4_9.html

La mise en place des toutes ces zones d’adhérence est étroitement régulée lors de la formation d’un épithélium (par exemple lors d’une transition mésenchyme-épithélium ou lors du développement de structures acineuses comme les glandes mammaires). Le facteur de transcription TFAP2a est souvent impliqué dans l’activation de l’expression de la E-cadhérine qui est importante pour ces jonctions (voir plus loin) (Leask et al., 1991; Behrens et al., 1991; Hennig et al., 1996) et ERK3 est nécessaire pour que TFAP2a puisse bien activer ses cibles (Takahashi et al., 2018)

**La déplétion de ERK3 entraîne des jonctions adhérentes et serrées défectueuses dans l’épithélium de l’épiderme embryonnaire de Xenopus laevis. A) Des morpholinos (MO) contrôle ou contre ERK3 (divers séquences MO1, MO2, MO3) ont été injectés dans l’hémisphère animal des deux blastomères ventraux au stade 4 cellules. Les embryons injectés ont été fixés au stade 13 pour réaliser une immunofluorescence à l’aide d’un anticorps anti-E-cadhérine. Les surfaces apicales de l’épithélium épidermique ont été observées par microscopie confocale. Barres d’échelle, 10 µm. L’ARNm CAAX-GFP (200 pg) a été co-injecté de manière à visualiser la membrane plasmique. B) Analyse en RT-qPCR de l’expression du gène codant la E-cadhérine et de celui codant ZO-1. Les niveaux d’expression de E-cadhérine ou de ZO-1 ont été normalisés à ceux de l’odc, un gène « de ménage ». C) Même expérience que précédemment mais avec aussi des embryons injectés avec un MO ciblant TFAP2A. L’immunofluorescence utilise un anticorps anti-ZO-1. D) Chaque point indique le nombre de lacunes dans les signaux ZO-1 par champ microscopique. L’intensité du signal de fluorescence est également quantifiée (E). Source : https://www.jbc.org/article/S0021-9258(20)39082-7/fulltext

Les jonctions d’adhérence ne sont pas de simples zones qui « collent » les cellules les unes aux autres. Ce sont des centres de signalisation. Par exemple, lors de la formation du blastocyste de la souris, les cellules de la périphérie deviennent des cellules du trophectoderme (TE) et les cellules internes deviennent des cellules de la masse cellulaire interne (MCI). La protéine Angiomotine est associée aux jonctions d’adhérence dans les cellules internes et active la voie de signalisation Hippo qui réprime l’activité de YAP, un co-facteur de transcription. Dans les cellules en périphérie, Angiomotine est décrochée des jonctions adhérentes et se retrouve dans la partie apicale de la cellule. Dans ce cas, la voie Hippo n’est pas activée et YAP s’associe dans le noyau avec le facteur de transcription TEAD et active l’expression de Cdx2 qui spécifie les cellules en TE (Hirate et al., 2013).

Les cadhérines

Comme leur nom le suggère, les cadhérines sont des molécules d’adhérence cellulaire dépendantes des ions Ca²⁺. Ce sont des protéines transmembranaires qui interagissent avec les mêmes cadhérines sur les cellules adjacentes (interactions homophiles).

*Conformation du domaine extracellulaire de la C-cadhérine en présence et en absence d’ions Ca²⁺. Le domaine extracellulaire formé de 5 répétitions de domaines EC conserve sa forme et sa rigidité lorsque les motifs de liaison au Ca²⁺ sont entièrement chargés. L’élimination du Ca²⁺ conduit à des conformations déformées résultant du mouvement indépendant les uns par rapport aux autres des domaines EC. Source : https://www.ks.uiuc.edu/Research/cadherin/

Les cadhérines sont ancrées à l’intérieur de la cellule par un complexe de protéines appelées caténines. Ce complexe se lie aux microfilaments d’actine de la cellule.

*Structure de la E-cadhérine (à gauche), de la N-cadhérine (à droite) et des complexes intracellulaires associés. La E-cadhérine et la N-cadhérine sont des cadhérines dites classiques et partagent des structures similaires. Toutes deux forment des interactions homophiliques avec les répétitions EC de leur domaine extracellulaire. Elles forment un complexe cadhérine-caténine intracellulaire et contrôlent les microfilaments d’actine. La différence structurelle entre l’E-cadhérine et la N-cadhérine aboutit au fait que l’E-cadhérine se lie à l’isoforme plus courte de la caténine p120 tandis que la N-cadhérine se lie à l’isoforme plus longue. Source : https://www.mdpi.com/2073-4409/8/10/1118/pdf

*Immunofluorescence de la β-caténine dans des cellules endothéliales humaines. On voit que la β-caténine est concentrée aux jonctions entre cellules, associée à des cadhérines : https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Cell_biology#/media/File:Catenin-humanendothel.jpg

L’interaction vinculine/α-caténine est particulièrement importante pour transmettre les forces de tension entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule dans un épithélium (Seddiki et al., 2018). La tension intracellulaire induit des changements conformationnels dans l’α-caténine exposant son site de liaison à la vinculine (VBS) cryptique et initiant la liaison à la vinculine (Yonemura et al., 2010; Yao et al., 2014). Cela permet une transition de la vinculine vers une conformation ouverte capable de se lier au cytosquelette d’actine, permettant à son tour aux complexes d’adhésion de résister à des forces plus élevées dans les cellules sous tension (le Duc et al., 2010; Dumbauld et al., 2013).

***Interactions dépendantes de la force entre la vinculine et l’α-caténine. À faible force (<5 pN), l’α-caténine existe sous une conformation de faisceau d’hélice auto-inhibée qui empêche la liaison à la vinculine. À force élevée (> 30 pN), la liaison de la vinculine est également inhibée car la conformation en hélice α du site de liaison à la vinculine est instable. Dans la plage de force intermédiaire (5–30 pN), la conformation auto-inhibée de l’α-caténine est libérée et le site de liaison à la vinculine est exposé. La vinculine recrute alors de nouveaux microfilaments d’actine à la jonction. Source : https://www.nature.com/articles/ncomms5525

L’ensemble de ces interactions intègrent les cellules épithéliales dans une unité mécanique. Le blocage de la fonction des cadhérines par une inhibition de leur expression ou par des anticorps bloquants peut empêcher la formation de tissus épithéliaux et provoque la désagrégation des cellules (Takeichi et al. 1979).

*Conséquences de l’inhibition de l’expression de la C-cadhérine lors de la gastrulation du xénope. Coupes sagittales de gastrulas de xénope injectés ou non avec un morpholino qui inhibe la production de la C-cadhérine (la cadhérine la plus abondante chez les gastrulas de xénope). Le mésoderme antérieur est entouré en rouge, le mésoderme préchordal est entouré en orange et le mésoderme chordal est entouré en jaune. Sans C-cadhérine, on observe que les cellules ne forment plus d’adhérences entre elles, les tissus sont plus relâchés. Source : https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2107953118

La E-cadhérine est la cadhérine la plus courante dans les tissus épithéliaux. D’elle dépend la stabilité de l’épithélium mais aussi son dynamisme. Par exemple, le mutant half-baked chez le poisson-zèbre possède des allèles mutés perte-de-fonction de la E-cadhérine et présente des défauts de gastrulation, notamment de l’intercalation radiaire qui est nécessaire à l’épibolie de l’épiblaste. Cette intercalation radiaire qui correspond au déplacement des cellules de la couche interne à la couche externe de l’épiblaste dépend des glissements des cellules les unes sur les autres et la E-cadhérine est essentielle dans ce processus (Kane et al., 2005).

Une classe de cadhérines appelées protocadhérines (Sano et al. 1993)
ne possède pas de domaine d’interaction avec les caténines et ne dépend pas du cytosquelette d’actine. L’expression de protocadhérines similaires permet de garder ensemble des cellules épithéliales durant une migration. L’expression de protocadhérines différentes provoque en revanche une séparation des tissus. C’est notamment le cas chez le xénope lorsque les cellules qui forment la corde expriment la protocadhérine AXPC et se séparent de celles qui forment les somites et qui expriment la protocadhérine PAPC (Chen et Gumbiner, 2006; Yoder et Gumbiner, 2011). AXPC semble avoir un rôle supplémentaire dans la spécification du destin des cellules de la corde que la simple adhérence différentielle. PAPC quant à elle, pourrait agir sur l’adhérence différentielle en diminuant l’expression de la C-cadhérine.

Les changements d’expression des cadhérines accompagnent les changements de destinée des cellules. L’ectoderme de la souris exprime initialement la E-cadhérine mais au cours de la neurulation, la plaque neurale destinée à devenir le tube neural éteint l’expression de la E-cadhérine et exprime la N-cadhérine à la place. Si ce changement est bloqué, la séparation des deux tissus, ectoderme non neural et neurectoderme se fait mal.

*L’absence de N-cadhérine provoque une déformation du tube neural chez la souris. Deux embryons de souris à E8,5 sauvage (A) et N-cad-/- (B) en vue dorsale. Notez le tube neural ondulé du mutant. Ses somites sont également mal formés. Cependant, des études complémentaires montrent que l’architecture épithéliale du neurectoderme semble normale chez les souris N-cad-/- indiquant qu’une autre cadhérine compense son absence. Source : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012160696984432

Il peut y avoir des différences entre espèces : la N-cadhérine ne semble pas jouer un rôle crucial dans l’architecture du neuroépithélium chez la souris mais elle joue un rôle important chez le poisson-zèbre.

*Sans N-cadhérine, l’organisation du neuroépithelium dans la région postérieure du cerveau est altérée chez le poisson-zèbre. Coloration au céramide Bodipy (coloration de la membrane plasmique) de coupes transversales microscopiques confocales au niveau du cerveau postérieur d’un embryon de poisson-zèbre 24 après la fécondation ; (A) poisson sauvage, (B, C) poisson mutant pac qui ne produit plus de N-cadhérine fonctionnelle. Les pointes de flèches rouges indiquent les cellules arrondies, les flèches bleues indiquent les structures en forme de rosette ectopique dans les régions dorsales du mutant pac, et les flèches blanches indiquent la lumière du ventricule du tube neural et la lumière ectopique dans les structures en forme de rosette dorsale chez pac. Les encarts dans A, B montrent des coupes longitudinales à travers le mésencéphale et le rhombencéphale. La limite mésencéphale-rhombencéphale est indiquée par des têtes de flèches blanches et les niveaux auxquels les coupes transversales sont prises sont indiqués par de fines flèches blanches. Source : https://journals.biologists.com/dev/article/129/14/3281/41702/parachute-n-cadherin-is-required-for-morphogenesis

Lors de la transition épithélio-mésenchymateuse qui mène à l’émergence des cellules de crêtes neurales, il y a aussi des modifications importantes d’expression des cadhérines. Chez l’embryon de poulet, l’expression de la N-cadhérine et de la cadhérine 6B est remplacée par celle de Cadhérine-7 et de Cadhérine-11 (Chalpe et al., 2010 ; Nakagawa et Takeichi, 1998). Non seulement la transcription du gène codant la N-cadhérine est diminuée mais en plus la partie extracellulaires des protéines encore présentes est clivée par la métalloprotéinase ADAM10 (Shoval et al., 2007).

**Clivage de la N-cadhérine par la métalloprotéase ADAM10. (A) Représentation schématique des sites de clivage de la N-cadhérine et des régions de liaison aux anticorps. La N-cadhérine complète de 135 kDa peut être clivée par une activité métalloprotéinase en fragments N-terminaux de 95 kDa (NTF) et en fragments C-terminaux de 40 kDa (CTF1), qui peuvent ensuite être clivés par une activité de type γ-sécrétase en fragments solubles de 35 kDa (CTF2). (B) Le clivage constitutif de la N-cadhérine est réduit dans les fibroblastes embryonnaires de souris MEF ADAM10-/-. Les MEF ont été préincubés avec un inhibiteur de γ-secrétase (0,5 μM) pendant la nuit et récoltés. Western-blot avec des extraits cellulaires totaux de fibroblastes ADAM9-/-, ADAM10-/-, ADAM15-/- et ADAM17-/-, de cellules BACE1-/- (BACE1 est la β-sécrétase 1) et de MEFs sauvage (WT) incubés avec un anticorps anti-N-cadhérine C-terminal. Les surnageants de ces cellules ont également été soumis à une analyse western blot en utilisant des anticorps anti-N-cadhérine N-terminale (MNCD2). N-Cad/FL : N-cadhérine complète ; CTF : fragment carboxy-terminal de la N-cadhérine ; NTF : fragment N-terminal de la N-cadhérine. (C) Les cellules déficientes en ADAM10 ont été retransfectées de manière stable avec l’ADAM10 de type sauvage (A10-/-retr) et comparées aux MEF de type sauvage et déficientes en ADAM10 pour l’expression de la N-cadhérine en présence d’un inhibiteur de γ-sécrétase (0,5 μM). N-cad/FL : N-cadhérine complète ; CTF : fragment C-terminal de la N-cadhérine ; NTF : fragment N-terminal de la N-cadhérine ; p : précurseur d’ADAM10 ; m : forme mature d’ADAM10. Source : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC549617/

Cependant, une fois de plus, ce n’est pas un mécanisme général car chez le xénope, l’expression de la N-cadhérine est augmentée au cours de la transition épithélio-mésenchymateuse des cellules de crêtes neurales (Bahm et al., 2017). Dans ce modèle, la N-cadhérine permet aux cellules migrantes de mieux répondre au chémoattracteur Sdf1. De plus, les cellules de crêtes neurales céphaliques migratrices établissent des jonctions communicantes ou jonction-gaps qui permettent de répondre aux sémaphorines (Bannerman et al., 2000; Huang et al., 1998; Waldo et al., 1999; Xu et al., 2006). On voit particulièrement bien dans cet exemple qu’il ne faut pas imaginer l’adhérence cellule-cellule comme antinomique de migration cellulaire.

Les interactions médiées par les cadhérines peuvent être essentielles entre des cellules souches et les cellules de leur niche pour que les cellules souches conservent leurs propriétés. C’est le cas dans les ovarioles de drosophile. Les cellules souches germinales sont en contact avec les cellules de la coiffe dans la partie la plus antérieure des ovarioles. Les interactions E-cadhérine/E-cadhérine assurent que les cellules souches germinales ne se différencient pas. Lorsqu’au cours d’une division cellulaire, une des deux cellules filles de la cellule souche perd le contact avec les cellules de la coiffe, elle commence à se différencier en cystoblaste qui va subir la méiose.

Les protéines Dscam chez la drosophile appartiennent à la famille des molécules d’adhérence cellulaire et jouent un rôle important dans l’immunité et dans la mise en place en place des circuits nerveux. Ces protéines sont très diversifiées mais elles proviennent d’un seul gène qui contient 115 exons. La diversité est générée par épissage alternatif : 20 exons sont toujours présents mais 95 sont « optionnels » et de multiples combinaisons sont générées. Les interactions homophiliques n’ont lieu qu’entre protéines identiques mais pas entre protéines même très proches (Wojtowicz et al., 2009). Cela suggère que le rôle de Dscam dans le guidage axonal et la mise en place des réseaux neuronaux chez la drosophile est lié à des reconnaissances et des adhérences très précises entre cellules.

Autres molécules d’adhérences cellulaires

*Diversité des protéines impliquées dans l’adhérence cellule-cellule. D’après https://mmegias.webs.uvigo.es/02-english/5-celulas/3-adhesion.php

Contrairement à ce que l’on pourrait penser les intégrines sont également impliquées dans l’adhérence cellule-cellule. Par exemple, les cellules souches hématopoïétiques restent dans leur niche, accrochées aux cellules stromales voisines et les intégrines participent à ces jonctions.

**Adhérences avec les cellules stromales voisines et la matrice extracellulaire des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. Remarquez que les intégrines sont impliquées non seulement dans les interactions avec la matrice extracellulaire mais aussi avec les autres cellules (interactions intégrine α4β1/VCAM-1, intégrine αLβ2/ICAM-1 et intégrine α4β7/MadCAM-1). Source : https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2021.756231/full

Si on utilise des anticorps bloquant l’interaction intégrine α4β1/VCAM-1, les cellules souches hématopoïétiques finissent par s’échapper dans la circulation sanguine (Papayonnoupoulou et al., 1995). L’interaction entre l’intégrine α4β7 et MadCam-1 est essentielle pour le recrutement des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse soit au cours du développement, soit au cours de transfusions (Katayama et al., 2004). Chez les patients atteints de leucémie myéloïde aigue, l’interaction intégrine α4β1/VCAM-1 est un élément important de la résistance à la chimiothérapie parce que cette interaction active la signalisation NF-kB dans les cellules stromales qui en retour envoient des signaux favorisant la survie des cellules tumorales (Jacamo et al., 2014).

VCAM-1 est aussi impliqué dans le maintien des cellules souches neurales dans la zone sous-ventriculaire du télencéphale où de la neurogénèse se déroule chez les Mammifères adultes. Lorsqu’avec une micropompe, on injecte en continu pendant 6 jours des anticorps bloquant anti-VCAM dans la zone sous-ventriculaire d’une souris, la couche des cellules épendymaires qui constitue une partie de la niche des cellules souches neurales est désorganisée (Kokovay et al., 2012). Cela aboutit à augmenter la prolifération des cellules souches neurales dont une grande partie est habituellement quiescente. Dans ce système, VCAM-1 est exprimé par les cellules souches neurales. Son partenaire sur les cellules épendymales n’a pas été encore trouvé.

L’adhérence cellulaire médiée par les intégrines et les molécules qui s’y lient peut être contrôlée. Par exemple, lors d’une inflammation, les cellules endothéliales produisent des chimiokines en direction des leucocytes qui activent des voies de signalisation intracellulaires qui activent les intégrines à la surface en leur faisant changer de conformation et qui permet de les faire interagir avec ICAM-1 qui est présente à la surface des cellules endothéliales. Cette interaction permet de ralentir puis d’arrêter les leucocytes, préalable à leur traversée de l’endothelium vers le site de l’inflammation.

**Contrôle de l’adhérence entre les leucocytes et les cellules endothéliales par des chimiokines exprimées lors de l’inflammation. Source : IJsbrand Kramer – Université Bordeaux 1 https://ressources.unisciel.fr/biocell/chap3/co/cours-molecules-adherence.html

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