Jonctions lacunaires - Gap junction

Jonctions lacunaires
Gap cellule jonction-en.svg
Jonction de la brèche chez les vertébrés
Identifiants
Engrener D017629
E H1.00.01.1.02024
FMA 67423
Terminologie anatomique

Les jonctions lacunaires sont des connexions intercellulaires spécialisées entre une multitude de types de cellules animales. Ils relient directement le cytoplasme de deux cellules, ce qui permet à diverses molécules , ions et impulsions électriques de passer directement à travers une porte régulée entre les cellules.

Un canal de jonction lacunaire est composé de deux hexamères protéiques (ou hémicanaux) appelés connexons chez les vertébrés et innexons chez les invertébrés. La paire d'hémicanaux se connecte à travers l'espace intercellulaire en comblant l'écart entre deux cellules. Les jonctions lacunaires sont analogues aux plasmodesmes qui rejoignent les cellules végétales.

Les jonctions lacunaires se produisent dans pratiquement tous les tissus du corps, à l'exception des muscles squelettiques adultes pleinement développés et des types de cellules mobiles tels que les spermatozoïdes ou les érythrocytes . Les jonctions lacunaires ne se trouvent pas dans les organismes plus simples tels que les éponges et les moisissures visqueuses .

Une jonction lacunaire peut également être appelée nexus ou macula communicans . Alors qu'un ehapse présente certaines similitudes avec une jonction lacunaire, par définition moderne, les deux sont différents.

Structure

Chez les vertébrés , les hémicanaux de jonction lacunaire sont principalement des homo- ou hétéro - hexamères de protéines de connexine . Les jonctions communicantes des invertébrés comprennent des protéines de la famille des innexines . Les innexines n'ont pas d' homologie de séquence significative avec les connexines. Bien que différant par leur séquence des connexines, les innexines sont suffisamment similaires aux connexines pour affirmer que les innexines forment des jonctions communicantes in vivo de la même manière que les connexines. La famille des pannexines récemment caractérisée , dont on pensait à l'origine qu'elle formait des canaux intercellulaires (avec une séquence d' acides aminés similaire à celle des innexines), fonctionne en fait comme un canal à membrane unique qui communique avec l'environnement extracellulaire, et il a été démontré qu'elle laisse passer le calcium. et ATP .

Aux jonctions lacunaires, l'espace intercellulaire est compris entre 2 et 4 nm et les hémicanaux de la membrane de chaque cellule sont alignés les uns avec les autres.

Les canaux de jonction lacunaire formés à partir de deux hémicanaux identiques sont appelés homotypiques, tandis que ceux avec des hémicanaux différents sont hétérotypiques. À leur tour, les hémicanaux de composition protéique uniforme sont appelés homomères, tandis que ceux avec des protéines différentes sont hétéromères . La composition des canaux influence la fonction des canaux de jonction lacunaire.

Avant que les innexines et les connexines ne soient bien caractérisées, les gènes codant pour les canaux de jonction lacunaire des connexines étaient classés dans l'un des trois groupes, sur la base de la cartographie des gènes et de la similarité de séquence : A, B et C (par exemple, GJA1 , GJC1 ). Cependant, les gènes de la connexine ne codent pas directement pour l'expression des canaux de jonction lacunaire ; les gènes ne peuvent produire que les protéines qui constituent les canaux de jonction lacunaire. Un système de nommage alternatif basé sur le poids moléculaire de cette protéine est également populaire (par exemple : connexin43=GJA1, connexin30.3=GJB4).

Niveaux d'organisation

  1. Les gènes de l'hémicanal (ADN) sont transcrits en ARN, qui est ensuite traduit pour produire les protéines de l'hémicanal.
  2. Une protéine hémicanal a quatre domaines transmembranaires
  3. 6 protéines hémicanaux créent un hémicanal. Lorsque différentes protéines d'hémicanal se réunissent pour former un hémicanal, cela s'appelle un hémicanal hétéromère.
  4. Deux hémicanaux, réunis à travers une membrane cellulaire, constituent un canal Gap Junction.
    Lorsque deux protéines hémicanales identiques se réunissent pour former un canal de jonction Gap, cela s'appelle un canal GJ homotypique. Lorsqu'un hémicanal homomère et un hémicanal hétéromère se rejoignent, on parle de canal de jonction lacunaire hétérotypique. Lorsque deux hémicanaux hétéromères se joignent, on parle également de canal hétérotypique Gap Junction.
  5. Les canaux de jonction lacunaire (des dizaines à des milliers) s'assemblent au sein d'un complexe macromoléculaire appelé plaque de jonction lacunaire.

Propriétés des paires d'hémicanaux

Les images au microscope optique ne nous permettent pas de voir les connexons eux-mêmes, mais nous permettent de voir le colorant fluorescent injecté dans une cellule se déplacer dans les cellules voisines lorsque des jonctions communicantes sont présentes.

Une paire de canaux hémicanaux :

  1. Permet une communication électrique directe entre les cellules, bien que différentes sous-unités hémicanales puissent conférer différentes conductances à canal unique , d'environ 30 pS à 500 pS.
  2. Permet la communication chimique entre les cellules, par la transmission de petits seconds messagers , tels que l' inositol triphosphate ( IP
    3
    ) et du calcium ( Ca2+
    ), bien que différentes sous-unités d'hémicanaux puissent conférer une sélectivité différente pour des petites molécules particulières.
  3. En général, permet le mouvement transmembranaire de molécules inférieures à 485 Daltons (1 100 Daltons à travers les jonctions communicantes des invertébrés), bien que différentes sous-unités hémicanales puissent conférer différentes tailles de pores et différentes sélectivités de charge. Les grandes biomolécules, par exemple l'acide nucléique et la protéine , sont exclues du transfert cytoplasmique entre les cellules par le biais de paires d'hémicanaux à jonction lacunaire.
  4. Assure que les molécules et le courant passant à travers la jonction lacunaire ne fuient pas dans l'espace intercellulaire.

À ce jour, cinq fonctions différentes ont été attribuées à la protéine de jonction lacunaire :

  1. Couplage électrique et métabolique entre les cellules
  2. Échanges électriques et métaboliques par hémicanaux
  3. Gènes suppresseurs de tumeurs ( Cx43 , Cx32 et Cx36 )
  4. Fonction adhésive indépendante du canal de jonction lacunaire conducteur (migration neuronale dans le néocortex)
  5. Rôle du carboxy-terminal dans la signalisation des voies cytoplasmiques (Cx43)

Occurrence et distribution

Des jonctions lacunaires ont été observées dans divers organes et tissus animaux où les cellules entrent en contact. Des années 1950 aux années 1970, ils ont été détectés dans les nerfs d'écrevisse, le pancréas de rat, le foie, le cortex surrénalien, l'épididyme, le duodénum, ​​le muscle, Daphnia hepatic caecum , le muscle Hydra , la rétine de singe, la cornée de lapin, le blastoderme de poisson , les embryons de grenouille, l'ovaire de lapin, la rétine. cellules agrégées, capsules d'hémocytes de cafard, peau de lapin, embryons de poussin, îlot de Langerhans humain, récepteurs acoustiques à détection de pression de poisson rouge et de hamster, cœur de lamproie et de tunicier, tubules séminifères de rat, myomètre , cristallin de l'œil et épithélium digestif des céphalopodes. Depuis les années 1970, des jonctions communicantes ont continué à être trouvées dans presque toutes les cellules animales qui se touchent. Dans les années 1990, une nouvelle technologie telle que la microscopie confocale a permis une étude plus rapide de vastes zones de tissus. Depuis les années 1970, même les tissus qui étaient traditionnellement considérés comme pouvant contenir des cellules isolées telles que les os ont montré que les cellules étaient toujours connectées avec des jonctions lacunaires, même de manière ténue. Les jonctions lacunaires semblent se trouver dans tous les organes et tissus animaux et il sera intéressant de trouver des exceptions à cela autres que les cellules qui ne sont pas normalement en contact avec les cellules voisines. Le muscle squelettique adulte est une exception possible. On peut affirmer que si elles sont présentes dans le muscle squelettique, les jonctions lacunaires pourraient propager les contractions de manière arbitraire parmi les cellules constituant le muscle. Au moins dans certains cas, cela peut ne pas être le cas, comme indiqué dans d'autres types de muscles qui ont des jonctions lacunaires. Une indication de ce qui résulte de la réduction ou de l'absence de jonctions communicantes peut être indiquée par l'analyse des cancers ou du processus de vieillissement.

Les fonctions

On peut voir que les jonctions lacunaires fonctionnent au niveau le plus simple en tant que voie directe de cellule à cellule pour les courants électriques, les petites molécules et les ions. Le contrôle de cette communication permet des effets complexes en aval sur les organismes multicellulaires comme décrit ci-dessous.

Développement embryonnaire, organique et tissulaire

Dans les années 1980, des rôles plus subtils mais non moins importants de la communication par jonctions communicantes ont été étudiés. Il a été découvert que la communication par jonction lacunaire pouvait être perturbée en ajoutant des anticorps anti-connexine dans les cellules embryonnaires. Les embryons avec des zones de jonctions communicantes bloquées ne se sont pas développés normalement. Le mécanisme par lequel les anticorps bloquaient les jonctions lacunaires n'était pas clair, mais des études systématiques ont été entreprises pour élucider le mécanisme. Le raffinement de ces études a montré que les jonctions communicantes semblaient être la clé du développement de la polarité cellulaire et de la symétrie/asymétrie gauche/droite chez les animaux. Alors que la signalisation qui détermine la position des organes du corps semble reposer sur les jonctions communicantes, il en va de même de la différenciation plus fondamentale des cellules aux stades ultérieurs du développement embryonnaire. Les jonctions lacunaires se sont également avérées responsables de la transmission des signaux requis pour que les médicaments aient un effet et, inversement, il a été démontré que certains médicaments bloquent les canaux de jonction lacunaire.

Jonctions interstitiels et « effet spectateur »

Mort cellulaire

L'« effet spectateur » avec ses connotations de spectateur innocent étant tué est également médié par des jonctions lacunaires. Lorsque les cellules sont compromises en raison d'une maladie ou d'une blessure et commencent à mourir, des messages sont transmis aux cellules voisines connectées à la cellule mourante par des jonctions communicantes. Cela peut également entraîner la mort des cellules voisines saines non affectées. L'effet de spectateur est donc important à prendre en compte dans les cellules malades, ce qui a ouvert la voie à davantage de financement et à un essor de la recherche. Plus tard, l'effet du spectateur a également été étudié en ce qui concerne les cellules endommagées par les radiations ou les blessures mécaniques et donc la cicatrisation des plaies. La maladie semble également avoir un effet sur la capacité des jonctions lacunaires à remplir leur rôle dans la cicatrisation des plaies.

Restructuration tissulaire

Bien qu'il y ait eu une tendance à se concentrer sur l'effet de proximité dans la maladie en raison de la possibilité d'avenues thérapeutiques, il existe des preuves qu'il y a un rôle plus central dans le développement normal des tissus. La mort de certaines cellules et de leur matrice environnante peut être nécessaire pour qu'un tissu atteigne sa configuration finale et les jonctions lacunaires semblent également essentielles à ce processus. Il existe également des études plus complexes qui tentent de combiner notre compréhension des rôles simultanés des jonctions lacunaires dans la cicatrisation des plaies et le développement des tissus.

Zones de couplage électrique

Les jonctions lacunaires couplent électriquement et chimiquement les cellules dans tout le corps de la plupart des animaux. Le couplage électrique peut être à action relativement rapide. Les tissus de cette section ont des fonctions bien connues qui sont coordonnées par des jonctions communicantes avec une signalisation intercellulaire se produisant dans des délais de quelques microsecondes ou moins.

Cœur

Les jonctions lacunaires sont particulièrement importantes dans le muscle cardiaque : le signal de contraction passe efficacement par les jonctions lacunaires, permettant aux cellules du muscle cardiaque de se contracter à l'unisson.

Neurones

Une jonction lacunaire située dans les neurones est souvent appelée synapse électrique . La synapse électrique a été découverte à l'aide de mesures électriques avant que la structure des jonctions communicantes ne soit décrite. Synapses électriques sont présents dans le système nerveux central et ont été étudiés spécifiquement dans le néocortex , l' hippocampe , noyau vestibulaires , thalamique noyau réticulaire , locus coeruleus , noyau olivaire inférieur , le noyau mésencéphalique du nerf trijumeau , ventrale zone tegmentale , bulbe olfactif , la rétine et moelle épinière des vertébrés .

On a observé un faible couplage neurone - cellule gliale dans le locus coeruleus et dans le cervelet entre les neurones de Purkinje et les cellules gliales de Bergmann . Il apparaît que les astrocytes sont couplés par des jonctions communicantes, à la fois à d'autres astrocytes et à des oligodendrocytes . De plus, des mutations dans les gènes de jonction lacunaire Cx43 et Cx56.6 provoquent une dégénérescence de la substance blanche similaire à celle observée dans la maladie de Pelizaeus-Merzbacher et la sclérose en plaques .

Les protéines de connexine exprimées dans les jonctions lacunaires neuronales comprennent :

  1. m CX36
  2. mCX57
  3. m CX45

avec des ARNm pour au moins cinq autres connexines (m Cx26 , m Cx30.2 , m Cx32 , m Cx43 , m Cx47 ) détectés mais sans preuve immunocytochimique de la protéine correspondante dans les jonctions lacunaires ultrastructurellement définies. Ces ARNm semblent être régulés à la baisse ou détruits par des ARN micro-interférents ( miARN ) qui sont spécifiques au type cellulaire et à la lignée cellulaire.

Rétine

Les neurones de la rétine présentent un couplage important, à la fois au sein des populations d'un même type cellulaire et entre différents types cellulaires.

Découverte

Appellation

Les jonctions lacunaires ont été ainsi nommées en raison du "gap" présent au niveau de ces jonctions spéciales entre deux cellules. Avec la résolution accrue du microscope électronique à transmission (MET), les structures de jonctions communicantes ont pu être vues et décrites pour la première fois vers 1953.

Section transversale de jonction annulaire en lames minces TEM. Les jonctions lacunaires sont généralement linéaires plutôt qu'annulaires dans les lames minces MET. On pense que les jonctions communicantes annulaires résultent de l'engloutissement par l'une des deux cellules de la plaque membranaire pour former une vésicule à l'intérieur de la cellule. Cet exemple montre trois couches à la structure de jonction. La membrane de chaque cellule est la ligne sombre avec l'espace étroit plus blanc entre les deux membranes colorées en noir. Dans de telles micrographies électroniques, il peut sembler y avoir jusqu'à 7 couches. Deux monocouches lipidiques dans chaque membrane peuvent tacher comme 3 couches plus une couche à partir de l'espace entre elles, semblable à deux sandwichs au pain empilés avec un espace entre eux

Le terme "gap jonction" semble avoir été inventé environ 16 ans plus tard, vers 1969. Un écart régulier étroit similaire n'a pas été démontré dans d'autres jonctions intercellulaires photographiées à l'aide du MET à l'époque.

Former un indicateur de fonction

Bien avant la démonstration du "gap" dans les jonctions lacunaires, ils ont été observés à la jonction des cellules nerveuses voisines. La proximité des membranes cellulaires voisines au niveau de la jonction lacunaire a conduit les chercheurs à supposer qu'elles avaient un rôle dans la communication intercellulaire, en particulier la transmission de signaux électriques. Les jonctions lacunaires se sont également avérées être rectifiantes électriquement et désignées sous le nom de synapse électrique . Plus tard, il a été découvert que les produits chimiques pouvaient également être transportés entre les cellules à travers des jonctions communicantes.

Implicite ou explicite dans la plupart des premières études, la zone de la jonction lacunaire avait une structure différente de celle des membranes environnantes d'une manière qui la rendait différente. Il a été démontré que la jonction lacunaire crée un micro-environnement entre les deux cellules dans l'espace extracellulaire ou « gap ». Cette partie de l'espace extracellulaire était quelque peu isolée de l'espace environnant et également comblée par ce que nous appelons maintenant des paires de connexons qui forment des ponts encore plus étanches qui traversent l'espace de jonction entre deux cellules. Lorsqu'il est visualisé dans le plan de la membrane par des techniques de fracture par congélation, une distribution à plus haute résolution des connexons au sein de la plaque de jonction lacunaire est possible.

Des îlots sans connexine sont observés dans certaines jonctions. L'observation était en grande partie sans explication jusqu'à ce que les vésicules soient montrées par Peracchia à l'aide de lames minces TEM comme étant systématiquement associées aux plaques de jonction lacunaire. L'étude de Peracchia était probablement aussi la première étude à décrire des structures de connexons appariées, qu'il appelait un peu simplement un "globule". Les études montrant des vésicules associées à des jonctions communicantes et proposant que le contenu des vésicules puisse se déplacer à travers les plaques de jonction entre deux cellules étaient rares, car la plupart des études se concentraient sur les connexons plutôt que sur les vésicules. Une étude ultérieure utilisant une combinaison de techniques de microscopie a confirmé les premières preuves d'une fonction probable des jonctions lacunaires dans le transfert de vésicules intercellulaires. Les zones de transfert de vésicules étaient associées à des îlots sans connexine dans les plaques de jonction lacunaire.

Synapses nerveuses électriques et chimiques

En raison de l'apparition généralisée de jonctions communicantes dans des types cellulaires autres que les cellules nerveuses, le terme jonction lacunaire est devenu plus généralement utilisé que des termes tels que synapse électrique ou nexus. Une autre dimension de la relation entre les cellules nerveuses et les jonctions lacunaires a été révélée en étudiant la formation chimique des synapses et la présence des jonctions lacunaires. En traçant le développement nerveux chez les sangsues avec suppression de l'expression de la jonction lacunaire, il a été montré que la jonction lacunaire bidirectionnelle (synapse nerveuse électrique) doit se former entre deux cellules avant qu'elles puissent se développer pour former une "synapse nerveuse chimique" unidirectionnelle. La synapse nerveuse chimique est la synapse la plus souvent tronquée au terme plus ambigu de « synapse nerveuse ».

Composition

Connexines

La purification des plaques de jonction de brèche intercellulaires enrichies en la protéine de formation de canal ( connexine ) a montré une protéine formant des réseaux hexagonaux en diffraction des rayons X . Désormais, l'étude systématique et l'identification de la protéine de jonction lacunaire prédominante sont devenues possibles. Des études ultrastructurales raffinées par MET ont montré que la protéine se produisait de manière complémentaire dans les deux cellules participant à une plaque de jonction lacunaire. La plaque de jonction lacunaire est une zone de membrane relativement grande observée dans la coupe mince TEM et la fracture de congélation (FF) observée remplie de protéines transmembranaires dans les deux tissus et les préparations de jonctions lacunaires traitées plus doucement. Avec la capacité apparente d'une seule protéine à permettre la communication intercellulaire observée dans les jonctions lacunaires, le terme jonction lacunaire avait tendance à devenir synonyme d'un groupe de connexines assemblées bien que cela n'ait pas été démontré in vivo. L'analyse biochimique d'isolats riches en jonctions lacunaires provenant de divers tissus a mis en évidence une famille de connexines.

L'ultrastructure et la biochimie des jonctions communicantes isolées déjà référencées avaient indiqué que les connexines se groupent préférentiellement dans les plaques ou domaines de jonctions communicantes et que les connexines étaient le constituant le mieux caractérisé. Il a été noté que l'organisation des protéines en réseaux avec une plaque de jonction lacunaire peut être importante. Il est probable que ces premiers travaux reflétaient déjà la présence de plus que de simples connexines dans les jonctions communicantes. La combinaison des domaines émergents de la fracture par congélation pour voir à l'intérieur des membranes et de l' immunocytochimie pour marquer les composants cellulaires (immunomarquage par réplique de fracture par congélation ou FRIL et immunomarquage sur coupe mince) a montré que les plaques de jonction lacunaire in vivo contenaient la protéine connexine. Des études ultérieures utilisant la microscopie par immunofluorescence de plus grandes zones de tissus ont clarifié la diversité dans les résultats antérieurs. Il a été confirmé que les plaques de jonction lacunaire avaient une composition variable abritant des protéines connexon et non connexine, rendant ainsi l'utilisation moderne des termes « jonction lacunaire » et « plaque de jonction lacunaire » non interchangeables. En d'autres termes, le terme couramment utilisé "jonction lacunaire" fait toujours référence à une structure qui contient des connexines, tandis qu'une plaque de jonction lacunaire peut également contenir d'autres caractéristiques structurelles qui la définiront.

La « plaque » ou « plaque de formation »

Vidéo de microscopie par immunofluorescence des connexines se déplaçant le long des microtubules jusqu'à la surface d'une cellule à 2,7 fois la vitesse normale.

Les premières descriptions des « jonctions lacunaires » et des « connexons » ne se référaient pas à eux en tant que tels et de nombreux autres termes ont été utilisés. Il est probable que les "disques synaptiques" étaient une référence précise aux plaques de jonction lacunaire. Alors que la structure et la fonction détaillées du connexon étaient décrites de manière limitée à l'époque, la structure globale du "disque" était relativement grande et facilement visible par diverses techniques MET. Les disques ont permis aux chercheurs utilisant la MET de localiser facilement les connexons contenus dans le disque comme des patchs in vivo et in vitro. Le disque ou "plaque" semblait avoir des propriétés structurelles différentes de celles conférées par les seuls connexons. On pensait que si la zone de la membrane dans la plaque transmettait des signaux, la zone de la membrane devrait être scellée d'une manière ou d'une autre pour empêcher les fuites. Des études ultérieures ont montré que les plaques de jonction lacunaire abritent des protéines non connexines, ce qui rend l'utilisation moderne des termes "jonction lacunaire" et "plaque de jonction lacunaire" non interchangeables, car la zone de la plaque de jonction lacunaire peut contenir des protéines autres que les connexines. Tout comme les connexines n'occupent pas toujours toute la surface de la plaque, les autres composants décrits dans la littérature peuvent n'être que des résidents à long ou à court terme.

Des études permettant une vue à l' intérieur du plan de la membrane des jonctions lacunaires pendant la formation indiquent qu'une « plaque de formation » formé entre deux cellules avant les connexines déplacement. Ils étaient des zones exemptes de particules lorsqu'elles sont observées par MET FF indiquant très peu ou pas de protéines transmembranaires étaient probablement présente. On sait peu de choses sur les structures qui composent la plaque de formation ou sur la façon dont la structure de la plaque de formation change lorsque les connexines et d'autres composants entrent ou sortent. L'une des premières études sur la formation de petites jonctions communicantes décrit des rangées de particules et des halos sans particules. Avec des jonctions lacunaires plus grandes, elles ont été décrites comme des plaques de formation dans lesquelles des connexines se déplacent. On pense que les jonctions communicantes particulaires se forment 4 à 6 heures après l'apparition des plaques de formation. La façon dont les connexines peuvent être transportées vers les plaques à l'aide de la tubuline devient de plus en plus claire.

La plaque de formation et la partie non connexine de la plaque de jonction lacunaire classique ont été difficiles à analyser pour les premiers chercheurs. Il apparaît en TEM FF et en coupe mince comme un domaine membranaire lipidique qui peut d'une manière ou d'une autre former une barrière relativement rigide aux autres lipides et protéines. Il existe des preuves indirectes de l'implication préférentielle de certains lipides dans la plaque de formation, mais cela ne peut pas être considéré comme définitif. Il est difficilement envisageable de rompre la membrane pour analyser des plaques membranaires sans affecter leur composition. Par l'étude des connexines encore dans les membranes, les lipides associés aux connexines ont été étudiés. Il a été constaté que des connexines spécifiques avaient tendance à s'associer préférentiellement à des phospholipides spécifiques. Comme les plaques de formation précèdent les connexines, ces résultats ne donnent toujours aucune certitude quant à ce qui est unique dans la composition des plaques elles-mêmes. D'autres découvertes montrent que les connexines s'associent à des échafaudages protéiques utilisés dans une autre jonction, la zonula occludens ZO1 . Bien que cela nous aide à comprendre comment les connexines peuvent être déplacées dans une plaque de formation de jonction lacunaire, la composition de la plaque elle-même est encore quelque peu fragmentaire. Des avancées sur la composition in vivo de la plaque de jonction lacunaire sont en cours grâce au TEM FRIL.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes