Matrice extracellulaire - Extracellular matrix

Matrice extracellulaire
Matrice extracellulaire.png
Illustration illustrant la matrice extracellulaire ( membrane basale et matrice interstitielle) en relation avec l' épithélium , l' endothélium et le tissu conjonctif
Des détails
Identifiants
Latin Matrice extracellulaire
Acronyme(s) ECM
Engrener D005109
E H2.00.03.0.02001
Termes anatomiques de la microanatomie

En biologie , la matrice extracellulaire ( MEC ) est un réseau tridimensionnel composé de macromolécules et de minéraux extracellulaires , tels que le collagène , les enzymes , les glycoprotéines et l' hydroxyapatite qui fournissent un soutien structurel et biochimique aux cellules environnantes. Parce que la multicellularité a évolué indépendamment dans différentes lignées multicellulaires, la composition de la MEC varie entre les structures multicellulaires ; cependant, l'adhésion cellulaire, la communication de cellule à cellule et la différenciation sont des fonctions courantes de l'ECM.

La matrice extracellulaire animale comprend la matrice interstitielle et la membrane basale . La matrice interstitielle est présente entre diverses cellules animales (c'est-à-dire dans les espaces intercellulaires). Des gels de polysaccharides et de protéines fibreuses remplissent l' espace interstitiel et agissent comme un tampon de compression contre le stress exercé sur l'ECM. Les membranes basales sont des dépôts en forme de feuille d'ECM sur lesquels reposent diverses cellules épithéliales . Chaque type de tissu conjonctif chez les animaux a un type de MEC : les fibres de collagène et le minéral osseux constituent la MEC du tissu osseux ; les fibres réticulaires et la substance fondamentale constituent l'ECM du tissu conjonctif lâche ; et le plasma sanguin est l'ECM du sang .

L'ECM végétale comprend des composants de la paroi cellulaire , comme la cellulose, en plus de molécules de signalisation plus complexes. Certains organismes unicellulaires adoptent des biofilms multicellulaires dans lesquels les cellules sont intégrées dans une MEC composée principalement de substances polymères extracellulaires (EPS).

Structure

1 : Microfilaments 2 : Phospholipide Bicouche 3 : Intégrine 4 : Protéoglycane 5 : Fibronectine 6 : Collagène 7 : Élastine

Les composants de l'ECM sont produits de manière intracellulaire par les cellules résidentes et sécrétés dans l'ECM par exocytose . Une fois sécrétées, elles s'agrègent ensuite avec la matrice existante. L'ECM est composé d'un maillage imbriqué de protéines fibreuses et de glycosaminoglycanes (GAG).

Protéoglycanes

Les glycosaminoglycanes (GAG) sont des polymères glucidiques et principalement attachés aux protéines de la matrice extracellulaire pour former des protéoglycanes (l'acide hyaluronique est une exception notable ; voir ci-dessous). Les protéoglycanes ont une charge nette négative qui attire les ions sodium chargés positivement (Na + ), qui attirent les molécules d'eau par osmose, maintenant l'ECM et les cellules résidentes hydratées. Les protéoglycanes peuvent également aider à piéger et à stocker les facteurs de croissance dans l'ECM.

Les différents types de protéoglycanes présents dans la matrice extracellulaire sont décrits ci-dessous.

Sulfate d'héparane

L'héparane sulfate (HS) est un polysaccharide linéaire présent dans tous les tissus animaux. Il se présente sous la forme d'un protéoglycane (PG) dans lequel deux ou trois chaînes HS sont attachées à proximité immédiate de la surface cellulaire ou des protéines ECM. C'est sous cette forme que l'HS se lie à une variété de ligands protéiques et régule une grande variété d'activités biologiques, y compris les processus de développement , l' angiogenèse , la coagulation sanguine et les métastases tumorales .

Dans la matrice extracellulaire, en particulier les membranes basales , le multi-domaines des protéines perlecan , l' agrine , et XVIII de collagène sont les principales protéines à laquelle le sulfate d' héparane est attaché.

Sulfate de chondroïtine

Les sulfates de chondroïtine contribuent à la résistance à la traction du cartilage, des tendons , des ligaments et des parois de l' aorte . Ils sont également connus pour affecter la neuroplasticité .

Sulfate de kératane

Les sulfates de kératane ont une teneur en sulfate variable et, contrairement à de nombreux autres GAG, ne contiennent pas d' acide uronique . Ils sont présents dans la cornée , le cartilage, les os et les cornes des animaux .

Polysaccharide non protéoglycane

Acide hyaluronique

L'acide hyaluronique (ou « hyaluronane ») est un polysaccharide constitué d'une alternance de résidus d'acide D-glucuronique et de N-acétylglucosamine, et contrairement aux autres GAG, on ne le trouve pas sous forme de protéoglycane. L'acide hyaluronique dans l'espace extracellulaire confère aux tissus la capacité de résister à la compression en fournissant une force de turgescence (gonflement) neutralisante en absorbant des quantités importantes d'eau. L'acide hyaluronique se trouve ainsi en abondance dans l'ECM des articulations porteuses. C'est également un composant principal du gel interstitiel. L'acide hyaluronique se trouve sur la surface interne de la membrane cellulaire et est transporté hors de la cellule pendant la biosynthèse.

L'acide hyaluronique agit comme un signal environnemental qui régule le comportement cellulaire pendant le développement embryonnaire, les processus de guérison, l' inflammation et le développement tumoral . Il interagit avec un récepteur transmembranaire spécifique, le CD44 .

Protéines

Collagène

Les collagènes sont la protéine la plus abondante dans la MEC. En fait, le collagène est la protéine la plus abondante dans le corps humain et représente 90 % de la teneur en protéines de la matrice osseuse. Les collagènes sont présents dans la MEC sous forme de protéines fibrillaires et apportent un soutien structurel aux cellules résidentes. Le collagène est exocytosé sous forme de précurseur ( procollagène ), qui est ensuite clivé par des protéases de procollagène pour permettre l'assemblage extracellulaire. Des troubles tels que le syndrome d'Ehlers Danlos , l' ostéogenèse imparfaite et l' épidermolyse bulleuse sont liés à des défauts génétiques des gènes codant pour le collagène . Le collagène peut être divisé en plusieurs familles selon les types de structure qu'ils forment :

  1. Fibrillaire (Type I, II, III, V, XI)
  2. Facit (Type IX, XII, XIV)
  3. Chaîne courte (Type VIII, X)
  4. Membrane basale (Type IV)
  5. Autre (Type VI, VII, XIII)

Élastine

Les élastines , contrairement aux collagènes, donnent de l'élasticité aux tissus, leur permettant de s'étirer en cas de besoin, puis de revenir à leur état d'origine. Ceci est utile dans les vaisseaux sanguins , les poumons , la peau et le ligament nuchae , et ces tissus contiennent de grandes quantités d'élastines. Les élastines sont synthétisées par les fibroblastes et les cellules musculaires lisses. Les élastines sont très insolubles et les tropoélastines sont sécrétées à l'intérieur d'une molécule chaperon , qui libère la molécule précurseur au contact d'une fibre d'élastine mature. Les tropoélastines sont ensuite désaminées pour s'incorporer au brin d'élastine. Des troubles tels que la cutis laxa et le syndrome de Williams sont associés à des fibres d'élastine déficientes ou absentes dans la MEC.

Vésicules extracellulaires

En 2016, Huleihel et al., ont signalé la présence d'ADN, d'ARN et de nanovésicules liées à la matrice (MBV) dans les bioéchafaudages ECM. La forme et la taille des MBV se sont avérées cohérentes avec les exosomes décrits précédemment . La cargaison de MBV comprend différentes molécules de protéines, lipides, ADN, fragments et miARN. Semblables aux bioéchafaudages ECM, les MBV peuvent modifier l'état d'activation des macrophages et altérer différentes propriétés cellulaires telles que; prolifération, migration et cycle cellulaire. Les MBV sont maintenant considérés comme un élément clé intégral et fonctionnel des bioéchafaudages ECM.

Protéines d'adhésion cellulaire

La fibronectine

Les fibronectines sont des glycoprotéines qui relient les cellules aux fibres de collagène dans l'ECM, permettant aux cellules de se déplacer à travers l'ECM. Les fibronectines se lient au collagène et aux intégrines de surface cellulaire , provoquant une réorganisation du cytosquelette de la cellule pour faciliter le mouvement cellulaire. Les fibronectines sont sécrétées par les cellules sous une forme dépliée et inactive. La liaison aux intégrines déplie les molécules de fibronectine, leur permettant de former des dimères afin qu'elles puissent fonctionner correctement. Les fibronectines aident également au site de lésion tissulaire en se liant aux plaquettes pendant la coagulation du sang et en facilitant le mouvement des cellules vers la zone touchée pendant la cicatrisation.

Laminine

Les laminines sont des protéines présentes dans les lames basales de pratiquement tous les animaux. Plutôt que de former des fibres de type collagène, les laminines forment des réseaux de structures en forme de toile qui résistent aux forces de traction dans la lame basale. Ils contribuent également à l'adhésion cellulaire. Les laminines se lient à d'autres composants de la MEC tels que les collagènes et les nidogènes .

Développement

Il existe de nombreux types de cellules qui contribuent au développement des différents types de matrice extracellulaire présents dans la pléthore de types de tissus. Les composants locaux de la MEC déterminent les propriétés du tissu conjonctif.

Les fibroblastes sont le type cellulaire le plus courant dans la MEC du tissu conjonctif, dans lequel ils synthétisent, maintiennent et fournissent un cadre structurel; les fibroblastes sécrètent les composants précurseurs de la MEC, y compris la substance fondamentale . Les chondrocytes se trouvent dans le cartilage et produisent la matrice cartilagineuse. Les ostéoblastes sont responsables de la formation osseuse.

Physiologie

Rigidité et élasticité

La MEC peut exister à divers degrés de rigidité et d' élasticité , des tissus cérébraux mous aux tissus osseux durs. L'élasticité de l'ECM peut différer de plusieurs ordres de grandeur. Cette propriété dépend principalement des concentrations de collagène et d' élastine , et il a récemment été démontré qu'elle jouait un rôle influent dans la régulation de nombreuses fonctions cellulaires.

Les cellules peuvent détecter les propriétés mécaniques de leur environnement en appliquant des forces et en mesurant le jeu résultant. Cela joue un rôle important car il aide à réguler de nombreux processus cellulaires importants, notamment la contraction cellulaire, la migration cellulaire , la prolifération cellulaire , la différenciation et la mort cellulaire ( apoptose ). L'inhibition de la myosine II non musculaire bloque la plupart de ces effets, ce qui indique qu'ils sont en effet liés à la détection des propriétés mécaniques de la MEC, qui est devenue un nouvel axe de recherche au cours de la dernière décennie.

Effet sur l'expression des gènes

Les propriétés mécaniques différentes de la MEC exercent des effets à la fois sur le comportement cellulaire et l'expression des gènes . Bien que le mécanisme par lequel cela se fait n'ait pas été complètement expliqué, les complexes d'adhésion et le cytosquelette actine - myosine , dont les forces contractiles sont transmises à travers des structures transcellulaires, joueraient un rôle clé dans les voies moléculaires encore à découvrir.

Effet sur la différenciation

L'élasticité de la MEC peut diriger la différenciation cellulaire , le processus par lequel une cellule passe d'un type cellulaire à un autre. En particulier, il a été démontré que les cellules souches mésenchymateuses (CSM) naïves spécifient la lignée et s'engagent dans des phénotypes avec une sensibilité extrême à l'élasticité au niveau des tissus. Les CSM placées sur des matrices molles qui imitent le cerveau se différencient en cellules de type neurone , présentant une forme, des profils d' ARNi , des marqueurs cytosquelettiques et des niveaux de facteurs de transcription similaires . De même, les matrices plus rigides qui imitent le muscle sont myogènes, et les matrices avec des rigidités qui imitent l'os collagène sont ostéogènes.

Durotaxis

La rigidité et l'élasticité guident également la migration cellulaire , ce processus est appelé durotaxis . Le terme a été inventé par Lo CM et ses collègues lorsqu'ils ont découvert la tendance des cellules individuelles à migrer vers le haut des gradients de rigidité (vers des substrats plus rigides) et a été largement étudié depuis. On pense que les mécanismes moléculaires à l'origine de la durotaxis existent principalement dans l' adhésion focale , un grand complexe protéique qui agit comme le site principal de contact entre la cellule et l'ECM. Ce complexe contient de nombreuses protéines essentielles à la durotaxis, notamment des protéines d'ancrage structurel ( intégrines ) et des protéines de signalisation (kinase d'adhésion ( FAK ), taline , vinculine , paxilline , -actinine , GTPases, etc.) qui provoquent des changements dans la forme cellulaire et la contractilité de l'actomyosine. . On pense que ces changements provoquent des réarrangements du cytosquelette afin de faciliter la migration directionnelle .

Fonction

En raison de sa nature et de sa composition diverses, la MEC peut remplir de nombreuses fonctions, telles que fournir un soutien, séparer les tissus les uns des autres et réguler la communication intercellulaire. La matrice extracellulaire régule le comportement dynamique d'une cellule. De plus, il séquestre un large éventail de facteurs de croissance cellulaire et agit comme un magasin local pour eux. Des changements dans les conditions physiologiques peuvent déclencher des activités de protéase qui provoquent la libération locale de ces réserves. Cela permet l'activation rapide et locale médiée par le facteur de croissance des fonctions cellulaires sans synthèse de novo .

La formation de la matrice extracellulaire est essentielle pour des processus tels que la croissance, la cicatrisation des plaies et la fibrose . Une bonne compréhension de la structure et de la composition ECM contribue également à comprendre la dynamique complexe de la tumeur invasion et métastases dans le cancer de la biologie des métastases implique souvent la destruction de la matrice extracellulaire par des enzymes telles que sérine protéases , protéases thréonine , et métalloprotéinases de la matrice .

La rigidité et l' élasticité de la MEC ont des implications importantes dans la migration cellulaire , l'expression des gènes et la différenciation . Les cellules détectent activement la rigidité de l'ECM et migrent préférentiellement vers des surfaces plus rigides dans un phénomène appelé durotaxis . Ils détectent également l'élasticité et ajustent l'expression de leurs gènes en conséquence, ce qui est de plus en plus un sujet de recherche en raison de son impact sur la différenciation et la progression du cancer.

Dans le cerveau, où l' hyaluronane est le principal composant de la MEC, la matrice présente à la fois des propriétés structurelles et de signalisation. L'hyaluronane de haut poids moléculaire agit comme une barrière diffusionnelle qui peut moduler localement la diffusion dans l'espace extracellulaire. Lors de la dégradation de la matrice, des fragments d'hyaluronane sont libérés dans l'espace extracellulaire, où ils fonctionnent comme des molécules pro-inflammatoires, orchestrant la réponse des cellules immunitaires telles que la microglie .

Adhésion cellulaire

De nombreuses cellules se lient aux composants de la matrice extracellulaire. L'adhésion cellulaire peut se produire de deux manières; par des adhérences focales , reliant la MEC aux filaments d' actine de la cellule, et des hémidesmosomes , reliant la MEC aux filaments intermédiaires tels que la kératine . Cette adhésion cellule-ECM est régulée par des molécules d'adhésion cellulaire (CAM) spécifiques à la surface cellulaire connues sous le nom d' intégrines . Les intégrines sont des protéines de surface cellulaire qui lient les cellules aux structures de la MEC, telles que la fibronectine et la laminine, ainsi qu'aux protéines d'intégrine à la surface d'autres cellules.

Les fibronectines se lient aux macromolécules de l'ECM et facilitent leur liaison aux intégrines transmembranaires. L'attachement de la fibronectine au domaine extracellulaire initie des voies de signalisation intracellulaire ainsi qu'une association avec le cytosquelette cellulaire via un ensemble de molécules adaptatrices telles que l' actine .

Signification clinique

Il a été découvert que la matrice extracellulaire provoque la repousse et la cicatrisation des tissus. Bien que le mécanisme d'action par lequel la matrice extracellulaire favorise le remodelage constructif des tissus soit encore inconnu, les chercheurs pensent maintenant que les nanovésicules liées à la matrice (MBV) sont un acteur clé du processus de guérison. Chez les fœtus humains, par exemple, la matrice extracellulaire fonctionne avec les cellules souches pour croître et repousser toutes les parties du corps humain, et les fœtus peuvent repousser tout ce qui est endommagé dans l'utérus. Les scientifiques ont longtemps cru que la matrice cesse de fonctionner après son développement complet. Il a été utilisé dans le passé pour aider les chevaux à guérir les ligaments déchirés, mais il fait l'objet de recherches plus approfondies en tant que dispositif de régénération des tissus chez l'homme.

En termes de réparation des blessures et d' ingénierie tissulaire , la matrice extracellulaire sert deux objectifs principaux. Premièrement, il empêche le système immunitaire de se déclencher à la suite de la blessure et de réagir par une inflammation et des tissus cicatriciels. Ensuite, il permet aux cellules environnantes de réparer le tissu au lieu de former du tissu cicatriciel.

Pour les applications médicales, l'ECM requis est généralement extrait de vessies de porc , une source facilement accessible et relativement inutilisée. Il est actuellement utilisé régulièrement pour traiter les ulcères en fermant le trou dans le tissu qui tapisse l'estomac, mais des recherches supplémentaires sont actuellement menées par de nombreuses universités ainsi que par le gouvernement américain pour des applications pour les soldats blessés. Au début de 2007, des tests étaient effectués sur une base militaire au Texas. Les scientifiques utilisent une forme en poudre sur les anciens combattants de la guerre en Irak dont les mains ont été endommagées pendant la guerre.

Tous les dispositifs ECM ne proviennent pas de la vessie. La matrice extracellulaire provenant de la sous-muqueuse de l'intestin grêle de porc est utilisée pour réparer les "défauts septaux auriculaires" (ASD), le "foramen ovale patent" (PFO) et la hernie inguinale . Après un an, 95% de la MEC de collagène dans ces patchs est remplacé par les tissus mous normaux du cœur.

Les protéines de la matrice extracellulaire sont couramment utilisées dans les systèmes de culture cellulaire pour maintenir les cellules souches et précurseurs dans un état indifférencié pendant la culture cellulaire et fonctionnent pour induire la différenciation des cellules épithéliales, endothéliales et musculaires lisses in vitro. Les protéines de la matrice extracellulaire peuvent également être utilisées pour soutenir la culture cellulaire 3D in vitro pour la modélisation du développement tumoral.

Une classe de biomatériaux dérivés du traitement de tissus humains ou animaux pour retenir des parties de la matrice extracellulaire est appelée biomatériau ECM .

Dans les plantes

Les cellules végétales sont tesselées pour former des tissus . La paroi cellulaire est la structure relativement rigide entourant la cellule végétale . La paroi cellulaire offre une résistance latérale pour résister à la pression de turgescence osmotique , mais elle est suffisamment flexible pour permettre la croissance cellulaire en cas de besoin ; il sert également de support pour la communication intercellulaire. La paroi cellulaire comprend de multiples couches stratifiées de microfibrilles de cellulose incorporées dans une matrice de glycoprotéines , dont l' hémicellulose , la pectine et l' extensine . Les composants de la matrice glycoprotéique aident les parois cellulaires des cellules végétales adjacentes à se lier les unes aux autres. La perméabilité sélective de la paroi cellulaire est principalement régie par les pectines de la matrice glycoprotéique. Les plasmodesmes ( singulier : plasmodesma) sont des pores qui traversent les parois cellulaires des cellules végétales adjacentes. Ces canaux sont étroitement régulés et permettent sélectivement aux molécules de tailles spécifiques de passer entre les cellules.

En Pluriformea ​​et Filozoa

La fonctionnalité de la matrice extracellulaire des animaux (métazoaires) développé dans l'ancêtre commun des Pluriformea et filozoa , après la Ichthyosporea divergé.

Histoire

L'importance de la matrice extracellulaire est reconnue depuis longtemps (Lewis, 1922), mais l'usage du terme est plus récent (Gospodarowicz et al., 1979).

Voir également

Les références

Lectures complémentaires