Les différenciations de la membrane plasmique

Introduction

Les différenciations de la membrane plasmique sont des spécialisations résultant de modifications de la MP, le plus souvent avec participation du cytoplasme sous-jacent et parfois de la matrice extracellulaire (MEC). La plupart se rencontrent au niveau des cellules épithéliales. Leur intérêt est double. Sur le plan fonctionnel, elles expliquent la polarité des cellules épithéliales : un pôle apical spécialisé dans l'absorption ou la réception, un pôle latéral consacré à l'adhérence et à la communication, un pôle basal à l'ancrage sur la matrice. Sur le plan médical, elles sont directement en cause dans des maladies fréquentes : le pemphigus et l'épidermolyse bulleuse sont des maladies des desmosomes et des hémidesmosomes, la diarrhée cholérique est une maladie de la jonction serrée, et la perte des cadhérines est un mécanisme majeur de dissémination métastatique. On distingue les différenciations de la MP apicale, de la MP latérale (latéro-basale) et de la MP basale (baso-latérale). Nous étudierons successivement ces trois territoires, en intercalant l'étude des molécules d'adhérence, dont dépendent les jonctions latérales.

I. Les différenciations de la MP apicale

A. Les microvillosités simples, isolées

• Environ 0,1 μm de long et 0,1 μm de diamètre : elles ne sont pas observables en MO.
• En ME : expansion irrégulière « en doigt » de la MP, dont l'axe comporte un faisceau de microfilaments d'actine.
• Localisation : cellules épithéliales, globules blancs.
• Signification : structures dynamiques, qui apparaissent et disparaissent ; elles augmentent la surface d'échange et interviennent dans le déplacement des globules blancs.

B. Le plateau strié — exemple de l'entérocyte

• En MO : formation recouvrant le pôle apical, d'environ 1 μm d'épaisseur, à fines striations perpendiculaires à la surface cellulaire.
• En ME : microvillosités nombreuses et régulières, de 1 μm de long sur 0,1 μm de diamètre. L'axe contient des microfilaments longitudinaux qui se terminent à courte distance de la base, dans un enchevêtrement de microfilaments : le réseau terminal.
• Composition : l'axe est fait de 20 à 30 filaments d'actine parallèles, rendus rigides par des protéines associées — la fimbrine, la villine et la myosine I. Les filaments sont orientés : extrémité (+) vers le sommet, extrémité (−) plongeant dans le réseau terminal, lui-même fait de liens transversaux de spectrine et contenant de la myosine. Sous ce réseau existe une couche de filaments intermédiaires.
• Fonction : le plateau strié caractérise les cellules d'absorption. L'entérocyte possède en moyenne 1 500 microvillosités, qui augmentent la surface apicale de 30 à 40 fois.
• Le revêtement cellulaire est particulièrement développé au niveau des microvillosités du plateau strié de l'entérocyte.
• La cytochalasine B, en détruisant les filaments d'actine, provoque l'affaissement des microvillosités.

C. La bordure en brosse

• Formation semblable au plateau strié, mais dont les microvillosités sont plus longues (2 μm), plus larges (0,2 μm) et plus ou moins irrégulières.
• On la rencontre notamment au niveau des cellules des tubes proximaux du rein.
• Au niveau de l'ostéoclaste, les microvillosités sont très irrégulières.

D. Les stéréocils

• On les rencontre au niveau des cellules du canal de l'épididyme.
• En MO : longs filaments non mobiles, agglutinés à la façon d'un pinceau.
• En MET : microvillosités très longues et flexueuses, parallèles à leur origine puis entremêlées à leur extrémité distale. Leur axe semble dépourvu de microfilaments.
• Leur fonction précise n'est pas connue.

E. Le cil stéréoscopique

• Caractéristique des cellules ciliées de l'oreille interne. Ce sont des microvillosités disposées en M ou en U, dont la hauteur — supérieure à 5 μm pour les plus longues — décroît d'un bord cellulaire à l'autre.
• Deux cils voisins sont reliés à leur sommet par un lien protéique élastique. L'axe est occupé par un faisceau de filaments d'actine, qui s'entrecroisent en éventail à la base, plus étroite.
• Mécanisme : les vibrations sonores et les mouvements liquidiens entraînent l'inclinaison des cils, ce qui étire les liens élastiques et induit l'ouverture MÉCANIQUE des canaux K⁺ — exemple type du canal mécano-dépendant.

II. L'adhérence cellulaire et les molécules d'adhérence

L'adhérence joue un rôle fondamental dans la formation et le maintien des tissus, notamment des épithéliums. Elle résulte d'interactions entre glycoprotéines membranaires, auxquelles participent parfois le cytosquelette et des composants de la matrice extracellulaire.

A. Mise en évidence expérimentale

À partir d'un embryon de poulet, deux suspensions sont préparées après dissociation enzymatique ménagée : l'une de neurorétine, l'autre d'ébauche hépatique. Mélangées et mises en culture, elles forment après quelques heures des agrégats constitués d'un SEUL type cellulaire. Selon l'origine des cellules, l'agrégation peut ou non dépendre du calcium — ce qui démontre l'existence de deux catégories de molécules d'adhérence, Ca²⁺-dépendantes et Ca²⁺-indépendantes.

B. Les quatre superfamilles

C. Les types d'interaction

• Entre CAM : homophilique (CAM identiques) ou hétérophilique (CAM différentes).
• Entre cellules : homotypique (cellules de même type) ou hétérotypique (cellules de types différents).
• Par l'intermédiaire d'une molécule extracellulaire.

D. La superfamille des immunoglobulines

• Les N-CAM (N = nerve) en sont le prototype : ce sont des CAM Ca²⁺-INDÉPENDANTES. D'abord décrites dans le tissu nerveux, elles sont aussi exprimées par les cellules musculaires et les cellules endocrines du pancréas.
• Il en existe trois formes chez l'adulte : les deux premières sont transmembranaires, avec l'extrémité COOH cytosolique ; la troisième est une protéine périphérique ancrée sur la face extracellulaire par un GPI.
• Interactions : homophilique et homotypique (neurone-neurone), hétérotypique (neurone-cellule gliale), hétérophilique (neurone-matrice extracellulaire).
• Les I-CAM (I = intercellular), exprimées par les cellules endothéliales, réalisent une interaction hétérotypique et hétérophilique avec les intégrines des cellules sanguines pendant la DIAPÉDÈSE.
• Certaines molécules de cette superfamille sont impliquées non dans l'adhérence mais dans la RÉPULSION : adhérence et répulsion sont toutes deux indispensables au développement du système nerveux, l'axone en croissance devant gagner sa cible tout en évitant les autres cellules.

E. Les cadhérines

• Ca²⁺-dépendantes, ce sont des glycoprotéines transmembranaires. La partie extracellulaire est variable d'un tissu à l'autre, avec des domaines de liaison du calcium ; la partie moyenne, hydrophobe, assure l'intégration à la MP ; la partie intracellulaire (COOH) assure la liaison avec le cytosquelette par l'intermédiaire des caténines α, β et γ.
• Elles sont concentrées dans les jonctions occludens et adhaerens.
• Les cadhérines desmosomales ne sont présentes que dans les desmosomes : les desmogléines (dont l'antigène du pemphigus vulgaire) et les desmocollines.
• Fonctions et pathologie : elles interviennent dans le développement (formation du tube neural) ; en culture, des anticorps anti-cadhérines augmentent la mobilité cellulaire ; la majorité des cellules cancéreuses perdent tout ou partie de leurs cadhérines — quand l'adhérence diminue, la mobilité augmente, d'où les métastases. La bactérie Listeria expose à sa surface l'internaline, qui se fixe à l'E-cadhérine et induit sa propre endocytose.

F. Les sélectines

• Ca²⁺-dépendantes, ce sont des glycoprotéines intégrées, encore appelées LEC-CAM (LEC = lectine), qui reconnaissent spécifiquement des motifs glucidiques et comportent plusieurs domaines extracellulaires.
• Fonction : adhérences brèves et très spécifiques. Dans le compartiment vasculaire, elles assurent l'interaction leucocyte-cellule endothéliale (hétérotypique, hétérophilique), qui permet aux leucocytes de quitter la circulation : c'est la diapédèse.

G. Les intégrines

• Ca²⁺-dépendantes, elles appartiennent aux SAM et sont des HÉTÉRODIMÈRES composés de deux sous-unités α et β. Une trentaine de membres fonctionnels sont connus.
• Trois familles au moins : récepteurs de la fibronectine (adhérence cellule-MEC) ; récepteurs plaquettaires (adhérence et agrégation plaquettaire lors de la formation du caillot) ; récepteurs leucocytaires.
• Transduction des signaux : liées au cytosquelette, les intégrines constituent l'une des voies majeures de transmission des signaux venus de la MEC. Elles régulent la forme, la polarité, la prolifération, la migration, la survie et la différenciation cellulaires.
• Les contacts focaux : zones d'adhérence très localisées, faites d'amas d'intégrines reliées aux filaments d'actine disposés en faisceaux larges et parallèles (câbles d'actine). La chaîne β1 s'attache à l'α-actinine et à la taline, elles-mêmes reliées aux microfilaments.

III. Les différenciations de la MP latérale

A. La juxtaposition simple

• En MO : la limite intercellulaire n'est pas visible.
• En MET : deux MP de 7,5 nm chacune, séparées par un espace intercellulaire de 20 à 25 nm. Les membranes adhèrent uniquement au moyen des protéines CAM.

B. Les interdigitations (engrènements)

• En MO : limite rectiligne nette d'environ 0,5 μm d'épaisseur.
• En MET : interdigitations des deux MP voisines sur 0,5 μm, entre lesquelles se trouvent des microfilaments d'actine.
• Effet : adhérence cellulaire plus solide que la simple juxtaposition. La cytochalasine B, en détruisant les filaments d'actine, déforme les interdigitations.

C. Les jonctions intercellulaires

Elles sont en général trop petites pour être vues en MO. Le ME en révèle quatre types. Dans les épithéliums polarisés, jonction serrée et jonction diffuse font le tour du pôle apical, tandis que desmosome et jonction gap sont ponctuels.

1. La jonction serrée (zonula occludens)

• Localisation : épithéliums polarisés ; entre les cellules de Sertoli et les cellules germinales (tubes séminifères). Les épithéliums multistratifiés malpighiens comme l'épiderme n'en possèdent PAS.
• Morphologie : sur coupe mince, fusion apparente des FEUILLETS EXTERNES des MP adjacentes, sur une longueur inférieure à 0,5 μm. Sur réplique de cryofracture, réseau anastomosé plus ou moins développé selon l'épithélium.
• Composition : protéines transmembranaires — occludine, claudines, cadhérines E ; protéines périphériques — ZO 1 à 3 et cinguline, cette dernière permettant l'association avec les filaments d'actine.
• Fonctions : elle assure l'adhérence des cellules adjacentes ; elle est imperméable aux macromolécules, sa perméabilité aux petites molécules étant variable — au niveau de l'épithélium intestinal, elle est 10 000 fois moins étanche aux ions qu'au niveau de la vessie.
• Deuxième fonction, capitale : empêcher la diffusion des protéines membranaires apicales (notamment les transporteurs) vers la membrane latéro-basale, et inversement. C'est elle qui maintient la polarité de l'entérocyte : symport Na⁺/glucose au pôle apical, Na⁺/K⁺-ATPase et perméase au pôle latéro-basal.

2. La jonction diffuse (zonula adhaerens) ou ceinture d'adhérence

• Localisation : épithéliums polarisés, sous la jonction serrée, ceinturant le pôle apical.
• Morphologie : espace intercellulaire de 15 à 25 nm parcouru de fins filaments ; plaque cytosolique dense au voisinage de chaque MP ; filaments d'actine disposés en anneau périphérique.
• Composition : les filaments intercellulaires sont des cadhérines E, reliées aux filaments d'actine par l'intermédiaire des caténines α, β, γ situées dans la plaque dense. L'adhérence est de type HOMOPHILIQUE.
• Fonctions : attachement mécanique des cellules adjacentes ; maintien de la rigidité et de la forme du pôle apical grâce à l'anneau d'actine ; déformation des épithéliums au cours du développement, aboutissant à des structures tubulaires.

3. Le desmosome (macula adhaerens)

• Localisation : cellules épithéliales, mais aussi myocardiques. Contrairement aux deux précédentes, il a une forme arrondie ou ovalaire d'environ 0,5 μm : il ne fait pas le tour de la cellule et il en existe plusieurs par cellule.
• Morphologie : espace intercellulaire de 20 à 50 nm traversé de filaments, parfois barré d'une lamelle médiane plus dense ; plaques desmosomales cytosoliques très denses et discoïdes ; convergence de FILAMENTS INTERMÉDIAIRES vers chaque plaque.
• Composition : cadhérines desmosomales (desmocolline, desmogléine) pour les filaments intercellulaires ; placoglobines, desmoplakines et caténines dans les plaques, en relation avec les FI de kératine — qualifiés de tonofilaments dans les épithéliums.
• Fonction : adhérence intercellulaire à la façon de rivets. Ce sont les jonctions les plus résistantes aux agents de dissociation.
• Le complexe jonctionnel réunit, de haut en bas, zonula occludens + zonula adhaerens + macula adhaerens. Il est visible en MO sous la forme d'une petite densification au sommet des limites intercellulaires : la bandelette obturante (barre terminale, cadre cellulaire).

4. La jonction communicante (jonction gap)

• Localisation : cellules épithéliales et non épithéliales — muscles lisses et cardiaques, ostéocytes, cellules cérébrales.
• Morphologie : espace intercellulaire réduit à 2 à 3 nm ; en coloration négative, formations hexagonales délimitant un canal de 1,5 nm ; sur réplique, agrégats de particules intramembranaires.
• Composition : protéines transmembranaires de la famille des CONNEXINES (PM de 23 à 43 kDa) ; 6 connexines s'associent en hexamère pour former un canal, le CONNEXON ; deux connexons appartenant aux deux cellules s'alignent pour former un canal intercommunicant.
• Couplage métabolique : passage de molécules de PM inférieur à 1,5 kD, dont les molécules informatives Ca²⁺ et AMPc, ainsi que d'enzymes. L'expérience de référence associe des cellules normales (N) et des cellules mutantes (M) déficitaires en thymidine-kinase : en autoradiographie, les cellules M reliées aux cellules N par des jonctions gap ont, elles aussi, le noyau marqué.
• Couplage électrique : passage d'ions — cas des cellules du myomètre et du myocarde.

IV. Les différenciations de la MP basale

A. Membrane basale et lame basale

• En MO : les épithéliums sont constamment séparés du tissu avoisinant par une structure linéaire, la membrane basale (MB) ou vitrée, d'aspect homogène et d'épaisseur variable.
• En MET, la MB comprend deux éléments : une lame basale (LB) de 30 à 70 nm, faite de fins filaments glycoprotéiques — collagène de type IV, laminine — et des fibres de réticuline.
• Exceptionnellement, la lame basale peut atteindre 300 nm, comme dans le glomérule rénal. La membrane basale fait partie de la matrice extracellulaire.

B. Les invaginations

• Replis plus ou moins profonds, rencontrés dans les cellules jouant un rôle dans les échanges hydrominéraux, notamment les tubes rénaux.
• Dans la cellule du tube proximal du rein, ces invaginations très profondes délimitent des compartiments logeant des mitochondries très allongées : les « bâtonnets de Heidenhain ».
• Rôle : augmenter la surface de transfert des substances à travers la MP basale.

C. L'hémidesmosome

• Partie intracellulaire : plaque desmosomale, convergence de filaments intermédiaires (tonofilaments dans les cellules épithéliales), MP épaissie.
• Partie extracellulaire : zone claire entre le pôle basal et la lame basale, traversée de nombreux filaments qui semblent partir de la MP pour s'accrocher à la LB.
• Composition : dans la plaque, protéines d'attachement des FI, plectine, antigène de la pemphigoïde bulleuse ; les FI sont des cytokératines ; la MP contient des INTÉGRINES — et non des cadhérines, à la différence du desmosome.
• Fonctions : attachement de l'épithélium à la matrice extracellulaire et transmission de signaux.

Conclusion

Les différenciations de la membrane plasmique traduisent la polarité de la cellule épithéliale. Le pôle apical est spécialisé dans l'augmentation de surface — microvillosités, plateau strié, bordure en brosse — ou dans la mécano-réception, comme le cil stéréoscopique de l'oreille interne. Le pôle latéral assure l'adhérence et la communication par quatre jonctions dont il faut retenir le cytosquelette associé : filaments d'actine pour la jonction diffuse, filaments intermédiaires pour le desmosome. Le pôle basal assure l'ancrage sur la lame basale par les hémidesmosomes, riches en intégrines. Toutes ces structures reposent sur les quatre superfamilles de molécules d'adhérence : immunoglobulines (seules Ca²⁺-indépendantes), cadhérines, sélectines et intégrines. Ce sont elles qui font d'un ensemble de cellules un tissu, et leur défaillance — génétique, auto-immune, toxique ou tumorale — se traduit immédiatement en pathologie. L'étude du cytosquelette, qui sous-tend la plupart de ces différenciations, fait l'objet du chapitre suivant.