Polarité des cellules - Cell polarity

La polarité des cellules fait référence aux différences spatiales de forme, de structure et de fonction au sein d'une cellule . Presque tous les types de cellules présentent une certaine forme de polarité, ce qui leur permet d'effectuer des fonctions spécialisées. Des exemples classiques de cellules polarisées sont décrits ci-dessous, notamment les cellules épithéliales à polarité apicale-basale, les neurones dans lesquels les signaux se propagent dans une direction des dendrites aux axones et les cellules en migration . De plus, la polarité cellulaire est importante au cours de nombreux types de division cellulaire asymétrique pour créer des asymétries fonctionnelles entre les cellules filles.

De nombreux acteurs moléculaires clés impliqués dans la polarité cellulaire sont bien conservés. Par exemple, dans les cellules métazoaires, le complexe PAR-3/PAR-6/aPKC joue un rôle fondamental dans la polarité cellulaire. Bien que les détails biochimiques puissent varier, certains des principes de base tels que la rétroaction négative et/ou positive entre différentes molécules sont communs et essentiels à de nombreux systèmes de polarité connus.

Localisation polarisée de la protéine Staufen (flèche blanche) dans l' ovocyte de Drosophila stade 9 (Stau:GFP, DAPI).

Exemples de cellules polarisées

Cellules épithéliales

Les cellules épithéliales adhèrent les unes aux autres par des jonctions serrées , des desmosomes et des jonctions adhérentes , formant des feuilles de cellules qui tapissent la surface du corps de l'animal et des cavités internes (par exemple, le tube digestif et le système circulatoire). Ces cellules ont une polarité apicale-basale définie par la membrane apicale tournée vers la surface extérieure du corps, ou la lumière des cavités internes, et la membrane basolatérale orientée à l'opposé de la lumière. La membrane basolatérale fait référence à la fois à la membrane latérale où les jonctions cellule-cellule relient les cellules voisines et à la membrane basale où les cellules sont attachées à la membrane basale , une fine feuille de protéines de la matrice extracellulaire qui sépare la feuille épithéliale des cellules sous-jacentes et du tissu conjonctif . Les cellules épithéliales présentent également une polarité cellulaire planaire , dans laquelle des structures spécialisées sont orientées dans le plan de la feuille épithéliale. Quelques exemples de polarité cellulaire planaire incluent les écailles des poissons orientées dans la même direction et de même les plumes des oiseaux, la fourrure des mammifères et les projections cuticulaires (poils sensoriels, etc.) sur le corps et les appendices des mouches et autres insectes .

Neurones

Un neurone reçoit des signaux des cellules voisines via des extensions cellulaires ramifiées appelées dendrites . Le neurone propage ensuite un signal électrique le long d'une extension axonale spécialisée du pôle basal à la synapse, où des neurotransmetteurs sont libérés pour propager le signal vers un autre neurone ou une autre cellule effectrice (par exemple, un muscle ou une glande). La polarité du neurone facilite ainsi le flux directionnel de l'information, nécessaire à la communication entre les neurones et les cellules effectrices.

Cellules migratrices

De nombreux types de cellules sont capables de migrer, comme les leucocytes et les fibroblastes , et pour que ces cellules se déplacent dans une direction, elles doivent avoir un avant et un arrière définis. À l'avant de la cellule se trouve le bord d'attaque, qui est souvent défini par un froissement plat de la membrane cellulaire appelé lamellipodium ou de fines saillies appelées filopodes . Ici, la polymérisation de l' actine dans le sens de la migration permet aux cellules d'étendre le bord d'attaque de la cellule et de se fixer à la surface. À l'arrière de la cellule, les adhérences sont démontées et des faisceaux de microfilaments d' actine , appelés fibres de stress , se contractent et tirent le bord de fuite vers l'avant pour suivre le reste de la cellule. Sans cette polarité avant-arrière, les cellules seraient incapables de coordonner la migration dirigée.

Levure bourgeonnante

La levure bourgeonnante, Saccharomyces cerevisiae , est un système modèle pour la biologie eucaryote dans lequel de nombreux éléments fondamentaux du développement de la polarité ont été élucidés. Les cellules de levure partagent de nombreuses caractéristiques de polarité cellulaire avec d'autres organismes, mais comportent moins de composants protéiques. Chez la levure, la polarité est biaisée pour former à un point de repère hérité, un patch de la protéine Rsr1 dans le cas du bourgeonnement, ou un patch de Rax1 dans les projections d'accouplement. En l'absence de repères de polarité (c'est-à-dire dans les mutants de délétion de gènes), les cellules peuvent effectuer une rupture de symétrie spontanée , dans laquelle l'emplacement du site de polarité est déterminé de manière aléatoire. La polarisation spontanée ne génère toujours qu'un seul site de bourgeon, ce qui a été expliqué par une rétroaction positive augmentant les concentrations de protéines de polarité localement au niveau du plus grand patch de polarité tout en diminuant les protéines de polarité globalement en les épuisant. Le régulateur principal de la polarité chez la levure est Cdc42 , qui est un membre de la famille Rho eucaryote Ras-homologue des GTPases, et un membre de la super-famille des petites GTPases, qui comprennent les Rop GTPases chez les plantes et les petites GTPases chez les procaryotes. Pour que des sites de polarité se forment, Cdc42 doit être présent et capable de cycler le GTP, un processus régulé par son facteur d'échange de nucléotide guanine (GEF), Cdc24, et par ses protéines activatrices de GTPase (GAP). La localisation de Cdc42 est en outre régulée par les files d'attente du cycle cellulaire et un certain nombre de partenaires de liaison. Une étude récente visant à élucider le lien entre la synchronisation du cycle cellulaire et l' accumulation de Cdc42 dans le site du bourgeon utilise l' optogénétique pour contrôler la localisation des protéines à l'aide de la lumière. Pendant l'accouplement, ces sites de polarité peuvent se déplacer. La modélisation mathématique couplée à des expériences d'imagerie suggèrent que la relocalisation est médiée par l'administration de vésicules induites par l'actine.

Développement des vertébrés

Les corps des animaux vertébrés sont asymétriques selon trois axes : antéro-postérieur (tête à queue), dorso-ventral (colonne vertébrale au ventre) et gauche-droite (par exemple, notre cœur est du côté gauche de notre corps). Ces polarités surviennent au sein de l'embryon en développement grâce à une combinaison de plusieurs processus : 1) division cellulaire asymétrique , dans laquelle deux cellules filles reçoivent différentes quantités de matériel cellulaire (par exemple, ARNm, protéines), 2) localisation asymétrique de protéines ou d'ARN spécifiques dans les cellules ( qui est souvent médiée par le cytosquelette), 3) gradients de concentration de protéines sécrétées à travers l'embryon telles que Wnt , Nodal et Bone Morphogenic Proteins (BMPs), et 4) expression différentielle des récepteurs membranaires et des ligands qui provoquent une inhibition latérale, dans laquelle la cellule exprimant le récepteur adopte un destin et ses voisines un autre.

En plus de définir des axes asymétriques dans l'organisme adulte, la polarité cellulaire régule également les mouvements cellulaires individuels et collectifs au cours du développement embryonnaire tels que la constriction apicale , l' invagination et l' épibolie . Ces mouvements sont essentiels pour façonner l'embryon et créer les structures complexes du corps adulte.

Base moléculaire

La polarité cellulaire résulte principalement de la localisation de protéines spécifiques dans des zones spécifiques de la membrane cellulaire. Cette localisation nécessite souvent à la fois le recrutement de protéines cytoplasmiques vers la membrane cellulaire et le transport de vésicules polarisées le long des filaments du cytosquelette pour délivrer des protéines transmembranaires à partir de l' appareil de Golgi . De nombreuses molécules responsables de la régulation de la polarité cellulaire sont conservées dans tous les types de cellules et dans toutes les espèces de métazoaires. Les exemples incluent le complexe PAR ( Cdc42 , PAR3/ASIP, PAR6, protéine kinase C atypique ), le complexe Crumbs (Crb, PALS, PATJ, Lin7) et le complexe Scribble (Scrib, Dlg, Lgl). Ces complexes de polarité sont localisés du côté cytoplasmique de la membrane cellulaire, de manière asymétrique à l'intérieur des cellules. Par exemple, dans les cellules épithéliales, les complexes PAR et Crumbs sont localisés le long de la membrane apicale et le complexe Scribble le long de la membrane latérale. Avec un groupe de molécules de signalisation appelées Rho GTPases , ces complexes de polarité peuvent réguler le transport des vésicules et également contrôler la localisation des protéines cytoplasmiques principalement en régulant la phosphorylation des phospholipides appelés phosphoinositides . Les phosphoinositides servent de sites d'amarrage pour les protéines au niveau de la membrane cellulaire, et leur état de phosphorylation détermine quelles protéines peuvent se lier.

Établissement de la polarité

Alors que de nombreuses protéines de polarité clés sont bien conservées, différents mécanismes existent pour établir la polarité cellulaire dans différents types de cellules. Ici, deux classes principales peuvent être distinguées : (1) les cellules capables de se polariser spontanément et (2) les cellules qui établissent une polarité sur la base d'indices intrinsèques ou environnementaux.

La rupture spontanée de la symétrie peut s'expliquer par l'amplification des fluctuations stochastiques des molécules dues à une cinétique chimique non linéaire. La base mathématique de ce phénomène biologique a été établie par Alan Turing dans son article de 1953 « La base chimique de la morphogenèse ». Alors que Turing a initialement tenté d'expliquer la formation de motifs dans un système multicellulaire, des mécanismes similaires peuvent également être appliqués à la formation de motifs intracellulaires. En bref, si un réseau d'au moins deux produits chimiques en interaction (dans ce cas, des protéines) présente certains types de cinétique de réaction, ainsi qu'une diffusion différentielle, les fluctuations de concentration stochastiques peuvent donner lieu à la formation de modèles stables à grande échelle, faisant ainsi le pont entre une échelle de longueur moléculaire à une échelle cellulaire ou même tissulaire.

Un excellent exemple pour le deuxième type d'établissement de polarité, qui repose sur des signaux extracellulaires ou intracellulaires, est le zygote de C. elegans . Ici, l'inhibition mutuelle entre deux ensembles de protéines guide l'établissement et le maintien de la polarité. D'une part, PAR-3, PAR-6 et aPKC (appelées protéines PAR antérieures) occupent à la fois la membrane plasmique et le cytoplasme avant la rupture de la symétrie. PAR-1, la protéine PAR-2 ​​contenant un doigt d'anneau spécifique à C. elegans , et LGL-1 (appelées protéines PAR postérieures) sont principalement présentes dans le cytoplasme. Le centrosome mâle fournit un signal qui rompt une distribution membranaire initialement homogène des PAR antérieurs en induisant des flux corticaux. On pense que ceux-ci advectent les PAR antérieurs vers un côté de la cellule, permettant aux PAR postérieurs de se lier à l'autre pôle (postérieur). Les protéines PAR antérieures et postérieures maintiennent ensuite la polarité jusqu'à la cytokinèse en s'excluant mutuellement de leurs zones respectives de la membrane cellulaire.

Voir également

Les références