JONCTIONS ADHSION MATRICE EXTRA CELLULAIRE Plan I Jonctions

JONCTIONS, ADHÉSION, MATRICE EXTRA CELLULAIRE

Plan I – Jonctions cellulaires II – Adhésion cellulaire III – Matrice extra-cellulaire IV – Intégrines 2

III - LA MATRICE EXTRA CELLULAIRE 3

Définition • Tissu = cellules + espace extra cellulaire • Rempli de macromolécules = matrice extra cellulaire – Protéines – Polysaccharides réseau en contact intime avec la surface des cellules 4

• Cellules entourées de matrice extra cellulaire (bourgeon de membre) Fig 19 -33 5

Généralités • Jonctions tissus épithéliaux • Matrice extra cellulaire tissus conjonctifs – MEC > cellules – propriétés physiques des tissus – Quantités très variables • Cartilages, os +++ • Cerveau 6

• Tissu conjonctif sous-jacent à un épithélium Fig 19 -34 7

Les différents types de tissus conjonctifs • Calcifiés : os, dents … • Transparents : cornée • Câble : tendon • Lame basale • . . . 8

Rôles • Pendant longtemps : charpente inerte • Actuellement : actif et complexe régulation du comportement de la cellule en contact – Survie – Développement – Migration – Prolifération – Forme – Fonction 9

Propriétés • Composition moléculaire complexe • Incomplètement connue • Origine très ancienne • Présent dans tous les êtres pluricellulaires – Cuticule des vers et des insectes – Coquilles des mollusques – Parois des cellules végétales 10

Plan 1. 2. 3. 4. 5. 6. Constituants du tissu conjonctif Substance fondamentale a) b) Glycosaminoglycannes Protéoglycannes a) Action de la cellule sur la matrice extra cellulaire : régulation de l’assemblage des fibrilles de fibronectine par les filaments d’actine intracellulaires Action de la matrice extra cellulaire sur la cellule : guidage de la migration cellulaire par les glycoprotéines de la matrice Collagènes Élastine Fibronectine Matrice extra cellulaire cytosquelette b) 7. 8. 9. Lame basale Matrice extra cellulaire comportement de la cellule Dégradation de la matrice extra cellulaire et migration 11

3 - Collagènes a) b) c) d) Les collagènes La synthèse du collagène Les maladies du collagène Organisation des fibrilles de collagène 12

3 - Collagènes a) Les collagènes b) la synthèse du collagène c) Les maladies du collagène d) Organisation des fibrilles de collagène 13

a) - Les collagènes • • Constituent une famille de protéines fibreuses Rencontrée dans toutes les espèces animales Protéine fibreuse Sécrétée par les cellules du tissu conjonctif (et d’autres cellules) • Protéine la plus abondante dans la peau et l’os • Protéine la plus abondante des mammifères (25 % de la masse totale des protéines) 14

Jyrki Heino The collagen family members as cell adhesion proteins Bio. Essays 29: 1001 -1010, 2007. • Review Article • Abstract • The collagen family of extracellular matrix proteins has played a fundamental role in the evolution of multicellular animals. • At the present, 28 triple helical proteins have been named as collagens and they can be divided into several subgroups based on their structural and functional properties. • In tissues, the cells are anchored to collagenous structures. Often the interaction is indirect and mediated by matrix glycoproteins, but cells also express receptors, which have the ability to directly bind to the triple helical domains in collagens. Some receptors bind to sites that are abundant in all collagens. However, increasing evidence indicates that the co-evolution of collagens and cell adhesion mechanisms has given rise to receptors that bind to specific motifs in collagens. These receptors may also recognize the different members of the large collagen family in a selective manner. • This review summarizes the present knowledge about the 15 properties of collagen subtypes as cell adhesion proteins.

Caractéristiques de la molécule de collagène • Triple hélice : 3 chaînes enroulées • Très riche en proline et glycine – proline : structure en anneau stabilisation de l'hélice – glycine : • tous les 3 acides aminés • au centre de la chaîne • 3 acides aminés par tour 16

Chaîne alpha de la molécule de collagène • Une chaîne 1000 acides aminés • Hélice gauche • 3 acides aminés par tour • Un glycine tous les 3 acides aminés • -(Gly-X-Y)– X souvent un proline – Y souvent un hydroxyproline 17

• Structure d'une molécule de collagène Fig 19 -43 1 chaîne – (A) Chaîne (une sphère = un acide aminé) – (B) 3 chaînes 18

Collagène • • 25 chaînes différentes et 25 gènes 50 exons par chaîne 1 exon = 54 ou n X 54 nucléotides 253 = 15 625 types de molécules ! En fait qu ’une 20 aine (28) Les principaux : I, III, IV, XI … Collagènes – fibrillaire (I, III, V, XI) (10 -300 nm de diamètre) – associé aux fibrilles (IX, XII) – en réseau (IV, VII) • Transmembranaires 19

Collagènes • Fibrillaire : fibrilles fibres • Associé aux fibrilles – association des fibrilles unes aux autres – et à d’autres éléments de la MEC • En réseau – IV : lame basale – VII : fibrilles d’ancrage de la lame basale au tissu conjonctif 20

Protéines collagène – like • XVII – possède un domaine transmembranaire – Composant des hémidesmosomes • XVIII – Lame basale des vaisseaux – Le clivage du domaine – C terminal endostatine 21

Endostatine • Résulte du clivage de l’extrémité – C terminale du collagène XVIII • Inhibe la formation de nouveaux vaisseaux • Étudiée comme drogue anti cancéreuse 22

Endostatins • Angiostatic proteins that are formed from proteolytic cleavage of COLLAGEN TYPE XVIII. 23

Collagène XVIII 24

Physiological role of collagen XVIII and endostatin • Collagen XVIII/endostatin is a recently identified component of almost all epithelial and endothelial BMs. • This collagen is a heparan sulfate proteoglycan and contains – 10 collagenous (COL) domains – that are interrupted and flanked by noncollagenous domains (NC) • A proteolytic fragment of the C-terminal noncollagenous domain (NC 1), termed endostatin, has been shown to have antiangiogenic activity in vitro and in vivo. 25

• Schematic representation of the two promoters and the splicing events giving rise to 3 different isoforms of COL 18 A 1 transcripts. Alexander G. Marneros and Bjorn R. Olsen Physiological role of collagen XVIII and endostatin The FASEB Journal. 2005; 19: 716 -728 • Exons 1 -5 and the 3' exon 43 are shown. • Transcription from the upstream promoter and splicing of exons 1, 2, and 4 to exons 5 -43 gives rise to the short isoform (NC 11 -303) • Transcription from the downstream promoter and splicing of exon 3 to exons 4 -43 gives rise to the long isoform (NC 11 -728) • Transcription from the downstream promoter and splicing of the 5' portion of exon 3 to exons 4 -43 gives rise to the intermediate isoform (NC 11 -493). 26

• Schematic drawing of the interaction of collagen XVIII with other components of basement membranes (BMs) under endothelial or epithelial cells. Alexander G. Marneros and Bjorn R. Olsen Physiological role of collagen XVIII and endostatin The FASEB Journal. 2005; 19: 716 -728 27

Abnormalities in the retinal pigment epithelium (RPE) and the retina in mice lacking collagen XVIII/endostatin in comparison to wild-type tissues. Alexander G. Marneros and Bjorn R. Olsen Physiological role of collagen XVIII and endostatin The FASEB Journal. 2005; 19: 716 -728 • Basal laminar-like deposits in mutant mice are associated with – reduced content of RPE 65 protein and retinyl esters in the retinal pigment epithelium (RPE), – reduced retinal rhodopsin content, – photoreceptor abnormalities, and increased expression levels of retinal GFAP. 28

Alexander G. Marneros and Bjorn R. Olsen Physiological role of collagen XVIII and endostatin The FASEB Journal. 2005; 19: 716 -728 • In aged Col 18 a 1–/– mice, pigmented macrophage-like "clump" cells migrate out of the iris toward the retina, where they may penetrate the inner limiting membrane (ILM). These cells accumulate in areas of increased retinal GFAP expression and photoreceptor disorganization. 29

Knobloch syndrome • The first indication that collagen XVIII/endostatin may be critical for the maintenance of ocular structures came from a linkage analysis of a consanguineous Brazilian family with Knobloch syndrome [MIM 267750]. • In this study the disease locus was mapped to the gene for collagen XVIII on chromosome 21 q 22. 3 and a mutation within COL 18 A 1 was identified. • Knobloch syndrome is – – – an autosomal recessive disorder characterized by the occurrence of vitreoretinal degeneration with retinal detachment, high myopia, macular degeneration, and occipital encephalocele. • Ocular abnormalities display – clinical variability – and may include congenital cataracts, iris abnormalities, or lens subluxation in some patients. • Besides the characteristic occipital encephalocele, further extraocular findings in Knobloch syndrome patients are rare and not typical of this syndrome. • However, the eye findings are severe and regularly lead to blindness at young age. • Family members of the consanguineous Brazilian family with Knobloch syndrome have a homozygous mutation at the AG consensus sequence at the 3' end of intron 1 in COL 18 A 1, whereas obligate carriers of the disease allele are heterozygous for this mutation. • The mutation leads to skipping of exon 2 and the creation of a premature 30 termination codon within exon 4 of the COL 18 A 1 transcript.

Collagène XVIII (fin) 31

Quelques types de collagène • Table 19 -5 32

Génétique des collagènes • • • 25 chaînes différentes et 25 gènes 50 exons par chaîne 1 exon = 54 ou n X 54 nucléotides Naissance de ces collagènes par duplications multiples d’un gène primordial contenant 54 nucléotides et codant pour exactement 6 répétitions Gly – X – Y • (3 -3 -3) X 6 = 54 • [Gly-X-Y] [3 nucléotides - 3 nucléotides] 33

Formules des collagènes • type I : [ 1(I)]2 2(I) • type II : [ 1(II)]3 • type III : [ 1(III)]3 • type IV : [ 1(IV)]2 2(IV) • type V : [ 1(V)]2 2(V) • . . . 34

3 - Collagènes • a) les collagènes • b) la synthèse du collagène • c) Les maladies du collagène • d) organisation des fibrilles de collagène 35

(i) - Synthèse du collagène par les ribosomes • Ribosomes sur la membrane du réticulum endoplasmique • Synthèse de chaînes pro dans la lumière du réticulum endoplasmique • La chaîne pro possède – Le signal peptide à l’extrémité –N – Des acides aminés appelés propeptides aux deux extrémités de la chaîne 36

(ii) - Synthèse du collagène dans le réticulum endoplasmique • Certaines prolines et lysines hydroxyprolines et hydroxylysines • Certaines hydroxylysines sont glycosylées • Une chaîne se combine avec deux autres procollagène • Procollagène = triple hélice à liaisons hydrogène 37

Hydroxylysines et hydroxyprolines • Rares dans les autres protéines animales • Ces -OH liaisons hydrogène interchaînes stabilisation de la triple hélice Fig 19 -45 38

(iii) - Sécrétion du procollagène fibrillaire • Fusion des vésicules sécrétoires avec la membrane plasmique 39

(iv) – Transformation du procollagène fibrillaire en collagène • Excision des propeptides du procollagène fibrillaire par des enzymes protéolytiques en dehors de la cellule • Le procollagène devient collagène 40

(v) – Formation des fibrilles de collagène • Se fait donc dans l’espace extra cellulaire • Autoassemblage des molécules de collagène en fibrille : le collagène est 1 000 fois moins soluble que le procollagène • Les fibrilles se forment au contact de la membrane plasmique dans des invaginations profondes 41

Les pro-peptides • Guident la formation des molécules à 3 brins • Empêchent la formation de fibrilles dans la cellule (puisqu’ils sont retirés en dehors de la cellule) 42

• Fibroblaste entouré de fibrilles de collagène dans le tissu conjonctif de la peau d'embryon de poulet Fig 19 -44 Collagène fibrillaire 43

Collagène fibrillaire • Striation transversale de 67 nm en microscopie électronique 44

Fibres de collagène montrant la striation transversale 45

Explication moléculaire de la striation périodique observée en microscopie électronique 46

T. J. Wess Collagen fibril form and function Advances in protein chemistry 2005 vol. 70 p 341 The axial organization of collagen molecules in a collagen fibril. The pattern this arrangement produces is revealed by X-ray diffraction (bottom) and unstained cryoelectron microscopy (top). The individual 300 nm long collagen molecules are axially aligned in the fibril according to the Hodge and Petruska (1963) model (middle), where the collagen molecule’s internal pseudoperiodicity facilitates staggered molecular interaction. This produces the gap-overlap step function of electron density that underlies the meridional series of reflections in the fiber diagram, and also produces the characteristic banding pattern of 67 nm seen in electron micrographs of collagen fibrils. 47

Collagène en microscopie électronique 48

49

Supramolecular organization of collagen fibrils. (a) The superhelical twist of individual fibrillar elements can be seen in this atomic force microscopy image of a mechanically disrupted collagen fibril. The box size is 5 μm × 5 μm and the inset height scale corresponds to 0– 30 nm. (b–c) Cross-section model of molecular packing in collagen fibrils. Thousands of individual collagen triple-helices interact to form a single fibril with both ordered and disordered packing features. Collagen microfibrils are formed by five collagen molecules in a staggered arrangement, shown connected by trapezoids in (c). Cell to cell contact and extracellular matrix Ioannis Vakonakis and Iain D Campbell Current Opinion in Cell Biology Volume 19, Issue 5, October 2007, Pages 578 -583 50

• Liaison covalentes entre les chaînes latérales de lysine modifiées – Intra- et inter- moléculaires – Renforcent les fibrilles • Ces liaisons ne se rencontrent que dans le collagène et l’élastine Fig 19 -46 51

Création des liaisons covalentes entre les chaînes latérales de lysine modifiées en deux étapes • Certaines lysines et hydroxylysines sont désaminées par la lysine oxydase extra cellulaire Groupements aldéhydes hautement réactifs • Réaction spontanée entre les aldéhydes liaisons covalentes – Entre eux (aldéhydes entre eux) – Ou avec d’autres lysines ou hydroxylysines • La plupart de ces liaisons se forme aux extrémités non hélicoïdales des molécules de collagène • Ces liaisons (nombre et types) varient en fonction du tissu 52

Exemple : tendon d’Achille • Collagène contenant beaucoup de liaisons intra- et inter- moléculaires 53

Synthèse de la molécule de collagène Fig 19 -47 54

Assemblage des fibrilles de collagène Fig 19 -47 55

• Aspect strié d'une fibrille de collagène en coloration négative Fig 19 -47 56

3 - Collagènes • a) les collagènes • b) la synthèse du collagène • c) Les maladies du collagène • d) organisation des fibrilles de collagène 57

c) Maladies du collagène • Ostéogenèse imparfaite – mutation du collagène I – os fragile – fractures • Chondrodysplasies – mutation du collagène II – cartilage anormal – malformation des os • Maladie d'Ehlers-Danlos – mutation du collagène III – peau fragile, vaisseaux sanguins fragiles, laxité articulaire 58

Ostéogenèse imparfaite • Mutation du collagène I • Os fragile • Fractures 59

Chondrodysplasies 60

Ehlers-Danlos Syndrome • A heterogeneous group of autosomal inherited collagen diseases caused by defects in the synthesis or structure of fibrillar collagen. • There are numerous subtypes: – classical, – hypermobility, – vascular, – and others. • Common clinical features include – hyperextensible skin and joints, – skin fragility – and reduced wound healing capability. 61

Maladie d'Ehlers. Danlos 62

Maladie d'Ehlers-Danlos 63

Scorbut • Déficit en vitamine C (= acide ascorbique) • Pas d'hydroxylation de la proline • Pas de -OH dans les pro-chaînes • Pas de triple hélice stable • Dégradation immédiate dans la cellule • Perte du collagène dans la matrice 64

Scorbut • Marins jusqu’au XIXème siècle • Perte progressive du collagène dans la matrice • Fragilité des vaisseaux • Déchaussement des dents (car le turnover du collagène est important dans ces tissus) • Dans l’os eg le turn over est lent (une molécule de collagène peut vivre 10 ans) 65

Vitus Bering victime du scorbut (1681 -1741), qui explorait alors la côte nord-est de l'Arctique sibérien Vitus Bering victime du scorbut 66

S 67

3 - Collagènes • a) les collagènes • b) la synthèse du collagène • c) Les maladies du collagène • d) organisation des fibrilles de collagène 68

d) Organisation des fibrilles de collagènes • Organisation des fibrilles pour résister aux tractions : peau, tendon, os, cornée • GAG qui résistent aux compressions • Peau : tressé comme une vannerie tractions dans de nombreuses directions • Tendons : faisceaux parallèles alignés • Os et cornée (+ peau du têtard): couches de contreplaqué (orientations perpendiculaires) 69

• Collagène fibrillaire (peau de têtard) • Organisation en plaques de bois contreplaqué • idem dans la cornée et l'os Fig 19 -48 70

Organisation des fibrilles de collagènes • Par d’autres molécules de la matrice • Par d’autres collagènes : (…) qui servent aux interactions – entre les fibrilles de collagène entre elles – et avec les autres molécules de la matrice • Par la cellule – qui synthétise différents types (plusieurs gènes) de collagène – par le guidage de la formation des fibrilles en association avec la membrane plasmique 71

Collagènes associés aux fibrilles • eg collagène IX et XII 72

Collagènes associés aux fibrilles • eg collagène IX et XII • Présence de 1 ou 2 petits domaines non hélicoïdaux dans la triple hélice molécule plus flexible que le collagène fibrillaire • Persistance des propeptides après la sécrétion • Ne forment pas de fibrilles • Se fixent à intervalles réguliers à la surface des fibrilles de collagène fibrillaire – Collagène IX se lie aux fibrilles de collagène II du cartilage, cornée, corps vitré de l’œil – Collagène XII se lie aux fibrilles de collagène I des tendons et autres tissus 73

Collagène IX [ 1(IX)]2 2(IX) (A) Disposition régulière du collagène IX aux fibrilles de collagène II Fig 19 -49 Ombrage rotatoire (C) Molécule isolée de collagène IX 74

Organisation des fibrilles de collagènes par les cellules • Interactions mécaniques et chimiques entre les cellules et la matrice architecture des tissus • Fibroblastes sur le collagène qu’ils ont sécrété – Migrent dessus – Tirent dessus – lames et câbles 75

Illustrations 1. Fibroblastes dans un réseau de collagène en culture contraction du gel de collagène en une petite fraction 2. Un amas de fibroblastes en culture sur un gel de collagène s’entoure d’une capsule 3. Deux fragments de tissu embryonnaire sur un gel de collagène – – alignement des fibres qui réunissent les deux explants puis migration des fibroblastes le long des fibres 76

Les cellules organisent l’orientation du collagène Fig 19 -50 • Deux fragments de cœur d’embryon de poulet (riches en fibroblastes) • 4 jours de culture sur un gel de collagène • Formation d’un faisceau dense de collagène • Résultant probablement de la traction des fibroblastes sur le collagène 77

Fibroblastes fibres de collagène • Les fibroblastes agissent sur les fibres de collagène • Les fibres de collagène agissent sur la distribution des fibroblastes • Applications – Organisation de la matrice extra cellulaire – Formation des tendons et des ligaments – Capsules des organes 78

Les protéines fibreuses • Le collagène • L’élastine 79