Chimiotaxie

Lachimiotaxie, l'un des types detaxies, est le phénomène par lequel descellulescorporelles, desspermatozoïdes, letube polliniqued'un grain depollen, ou desbactéries, ou d'autres organismes uni-, ou pluricellulaires, se dirigent ou dirigent leurs mouvements en fonction de certaines espèces chimiques présentes dans l’environnement.
Il peut s'agir d'attirance et d'évitement. Trouver de lanourriture(par exemple duglucose) en se dirigeant vers sa concentration la plus élevée est très important pour lesbactéries, aussi bien qu’éviter les agents nuisibles (tels que lephénol).
Chez les êtres vivants pluricellulaires, la chimiotaxie joue un rôle insigne dans le développement et dans le fonctionnement physiologique de l’organisme. Les mécanismes permettant la chimiotaxie chez lesanimauxpeuvent être supprimés lors de la formation desmétastasescancéreuses.
Bien que la migration des cellules ait été découverte dès le début du développement dumicroscope(Leeuwenhoek), la première description érudite en a été faite parT. W. Engelmann(en 1881) et parW. F. Pfeffer(en 1884) chez les bactéries et parH. S. Jennings(en 1906) chez les organismesciliés.E. Metchnikov, lauréat duprix Nobel, a également contribué à la recherche de ce domaine en étudiant ce processus comme première étape de laphagocytose.
L’importance biologique (et parfois pathologique) de la chimiotaxie a été largement acceptée dans les années 1930. La définition la plus fondamentale du phénomène a été également formulée à cette époque. Les aspects primordiaux du contrôle de qualité d’unessai chimiotactiqueont été décrits par H. Harris dans les années 1950.
Les deux décennies suivantes, les progrès de labiologie cellulaireet de labiochimieont permis le développement d'une large gamme de techniques nouvelles pour l’étude des cellules donnant de réponse migratoire et des fractions subcellulaires responsables pour le chimiotactisme. Le travail pionnier de J. Adler a représenté un tournant au niveau de la compréhension du processus entier de la transmission intracellulaire des signaux chez les bactéries.
Le3 novembre 2006, le docteur Dennis Bray (Université deCambridge) a été honoré par le prix « Microsoft European Science Award » pour ses recherches concernant la chimiotaxie de l’E. coli.
La chimiotaxie est une des réponses physiologiques les plus fondamentales. Le développement des systèmes de récepteurs permettant la détection des substances nuisibles ou favorables de l’environnement était essentiel pour les organismes unicellulaires dès les premières étapes de laphylogénie.
L’analyse compréhensive du chimiotactisme duTetrahymenapyriformis —eucaryoteprotozoaire— et celle des séquences consensus desacides aminésprésents dans lasoupe primitivesuggère l’existence d’une forte corrélation entre le caractère chimiotactique de ces composés relativement simples et leur apparition sur laTerre. Ainsi, on suppose que les premièresmoléculesétaient fortementchimioattractantes(par exempleGly,Glu,Pro), tandis que les acides aminés apparus plus tardivement pouvaient être des chimiorepellants forts (par exempleTyr,Trp,Phe).
Certaines bactéries, dontEscherichia coli, ont quelquesflagelles(en général 4-10 par cellule). Ces derniers peuvent tourner dans deux sens :
Le sens de la rotation est toujours observé en dehors de la cellule, en regardant les flagelles en face de la cellule.
Le mouvement résultant de la bactérie est donc dû à l’alternance des deux phases («run» et «tumble»). Si on observe le mouvement d’une bactérie dans un environnement homogène on trouve une trajectoire aléatoire due aux phases de natations rectilignes relativement courtes, interrompues par des phases de «tumble» aléatoires qui réorientent les bactéries. Les bactéries telles qu'Escherichia coli sont incapables de choisir la direction dans laquelle elles nagent et ne sont pas capables de nager longtemps suivant une ligne droite à cause de ladiffusionrotationnelle. Autrement dit, les bactéries « oublient » la direction dans laquelle elles vont. Compte tenu de ces contraintes, il est remarquable que les bactéries sont capables de diriger leur mouvement afin de trouver des lieux favorables de concentration élevée en attractants (en général en nourriture) ainsi que d’éviter les substances répellantes (en général les agents toxiques).
À la présence d’un gradient chimique les bactéries vont répondre avec la chimiotaxie, elles vont diriger donc leur mouvement en fonction du gradient chimique. Si la bactérie sent qu’elle bouge dans la bonne direction (c’est-à-dire elle va vers l’attractant ou bien elle s’éloigne du repellant) elle continue de nager tout droit pour plus longtemps avant la phase «tumbling». Dans le cas contraire, elle va arrêter de nager plus tôt et essayer une nouvelle direction choisie au hasard. Autrement dit, les bactéries comme E. coli utilisent une perception temporelle pour décider si la vie commence à devenir meilleure ou pire. De cette façon, elles trouvent assez bien les lieux où la concentration des attractants est la plus élevée (en général la source). De plus, même en cas de concentrations très élevées, elles sont capables de distinguer des différences très faibles de concentration. La détection des reppellants fonctionne avec la même efficacité.
Il paraît remarquable que cette marche aléatoire soit le résultat d’un choix simple entre deux formes de mouvementaléatoire, notamment entre la natation et le «tumbling». En effet, les réponses chimiotactiques telles qu’oublier la direction et choisir le type du mouvement ressemblent à la capacité de prendre des décisions desêtres vivantsplus évolués possédant uncerveauavec lequel elles sont capables de traiter lesinformations sensorielles.
La structure hélicale du filament flagellaire unique est cruciale pour l'exécution de ces mouvements. Par ailleurs, la protéine constituant le filament flagellaire, laflagelline, est assez similaire chez toutes lesbactériesayant des flagelles. Lesvertébréssemblent tirer un bénéfice de ce fait : ils possèdent un récepteur immunologique (TLR5) conçu pour la reconnaissance de cette protéine conservée.
Comme c’est souvent le cas enbiologie, certaines bactéries ne suivent pas la règle. Beaucoup de bactéries, telle que Vibrio, n’ont qu’un seule flagelle polaire (ciliature monotriche). Leur méthode de chimiotaxie est différente.D’autres possèdent un flagelle qui se situe entièrement dans la paroi. Quand ces bactéries bougent, la cellule entière, dont la forme ressemble à un tire-bouchon, est mise en rotation.
Legradientchimique est perçu à l’aide de plusieursrécepteurs transmembranaires, appelés « methyl accepting chemotaxis proteins (MCPs) » qui varient par rapport à la molécule détectée. Ces récepteurs fixent des attractants ou des repellants, soit directement soit indirectement, via des interactions avec desprotéinesdupériplasme. Ces signaux sont ensuite transmis à des récepteurs — à travers la membrane plasmique — au cytosol où les protéines Chedeviennent activées. Les protéines Che altèrent la fréquence de «tumbling» et les récepteurs.
Les protéines CheA et CheW se fixent aurécepteur. L’activation du récepteur par un stimulus externe résulte l’auto-phosphorylationde l'histidinekinaseCheA à un résidu unique de histidine fortement conservé. Puis, CheA transfère un groupe phosphoryl aux résidusaspartatesconservés des régulateurs de réponse, CheB et CheY. [Remarque : CheA est unehistidinekinase et ne transmet pas le groupe phosphoryl d’une façon active. C’est le régulateur de réponse CheB qui le prend à partir de CheA.] Ce mécanisme de transmission de signal s’appelle un « système à deux composants » qui est une forme très répandue de la transmission des signaux chez les bactéries. CheY, en interagissant avec la protéine commutateur flagellaire, la protéine FliM, induit le changement du sens de rotation des flagelles du sens inverse des aiguilles d’une montre au sens des aiguilles d'une montre et ainsi induit le «tumbling». La modification de l’état de rotation d’un seul flagelle peut perturber le faisceau entier et provoquer le «tumbling».
Une fois activée par CheA, CheB agit comme une méthyleestéraseet enlève des groupes méthyles des résidusglutamatesde la partiecytoplasmiquedu récepteur. Elle a un effet antagoniste par rapport à la méthyletransféraseCheR qui méthyle les mêmes résidus de glutamates. Plus de groupes de méthyle sont rajoutés au récepteur, plus ce dernier est sensible. Comme le signal à partir du récepteur entraîne la déméthylation de ce dernier par un mécanisme de boucle defeedback, le système est toujours ajusté au niveau des composés chimiques dans l’environnement. Ainsi, il reste sensible aux changements faibles, mêmes pour les concentrations extrêmes. Cette régulation permet à la bactérie de ‘se souvenir’ des concentrations récentes et les comparer avec les concentrations actuelles, donc de savoir si elle se déplace dans le sens du gradient ou au contraire, dans le sens inverse du gradient. Pourtant, le système de méthylation seul n’explique pas le spectre large de sensibilité des bactéries aux différents gradients chimiques. Des mécanismes régulatoires supplémentaires tels que le « clustering » des récepteurs et les interactions de type récepteur-récepteur modulent également la voie de signalisation.
Bien que le mécanisme de la chimiotaxie deseucaryotessoit assez différent de celui des bactéries, la perception dugradientchimique reste une étape cruciale du processus. À cause de leur taille, lesprocaryotesne sont pas capables de détecter les gradients de concentration effectifs, donc ces cellules « scannent » et évaluent leur environnement en nageant continuellement. (La natation étant la série des étapes consécutives de natation droite et de «tumbling».) Les dimensions des cellules eucaryotes, en revanche, permettent la détection du gradient. Cela résulte d'une distribution dynamique et polarisée des récepteurs. L’induction de ces derniers par des chimioattractants ou par des chimiorepellants provoque la migration vers la substance de l’activité chimiotactique ou au contraire dans la direction opposée.
Les niveaux des récepteurs, les voies de signalisation et les mécansimes effecteurs représentent tous des divers componants de type eucaryotiques.Chez les eucaryotes unicellulaires les effecteurs majeurs sont les pseudopodes, les cils ou les flagelles de type eucaryote (par exemple l’Amoebaou leTetrahymena). Quelques cellules eucaryotes d’originemammifèreà l'évolution plus complexe, telles que celles dusystème immunitaire, sont également capables de se déplacer au lieu nécessaire. À part des cellules immunocompétentes (granulocyte,monocyte,lymphocyte), un groupe nombreux des cellules considérées auparavant comme fixées sur des tissus est également mobile sous certaines conditions physiologiques (mastocyte,fibroblaste, cellulesendothéliales) ou pathologiques (par exemple métastases). La chimiotaxie joue un rôle important au début de l’embryogenèsecar la formation des couches dugermeest guidée par les gradients des molécules de signal.
Contrairement à la motilité pendant le chimiotactisme des bactéries, le mécanisme permettant le déplacement physique des cellules eucaryotes est encore peu élucidé. Il existe probablement un mécanisme par lequel un gradient chimiotactique extracellulaire est perçu et transformé en un gradient dephosphatidylinositol 1,4,5 tris phosphate(PIP3) intracellulaire.Cela résulte un gradient de l’activation de la voie de signalisation qui mène à lapolymérisationdes filaments d’actine. L’élongation de l’extrémité (+) des filaments d’actineassure une connexion avec la surface interne de la membrane cytoplasmique via différents ensembles depeptides. Ainsi, elle résulte la formation despseudopodes.Lescilsdes cellules eucaryotes sont également capables de provoquer la chimiotactisme, mais dans ce cas il s’agit plutôt d’une induction Ca2+ dépendant du système micro-tubulaire ducorps basalet du 9×2+2microtubules(axonème) du cils.Le battement orchestré des milliers de cils est synchronisé par un système submembranaire formé entre les corps basaux. Les détails de la voie de signalisation ne sont pas encore complètement éclaircis.
Bien que la chimiotaxie soit la forme de migration la plus fréquemment étudiée, il existe quelques autres types de locomotion au niveau cellulaire.
Dans la majorité des cas, les cellules eucaryotes perçoivent la présence desstimulichimiotactiques via des récepteurs de 7 domaines transmembranaires (récepteurs serpentines), couplés auxprotéines Gqui sont des hétèrotrimères. Ces récepteurs se regroupent dans une famille très nombreuse représentant une proportion significative du génome. Certains membres de cette superfamille degènesinterviennent pendant la vue (rhodopsins) ou bien lors de l’olfaction. Les classes majeures des récepteurs professionnels responsables pour la chimiotaxie sont stimulées par les peptides formylés (formyl peptide receptors (FPR)), par leschimiokines(chemokine receptors (CCR ou CXCR)) et par lesleucotriènes(leukotriene receptors (BLT)). Pourtant, l’induction d’une large gamme de récepteurs membranaires (par exemple ceux des acides aminés, de l’insuline, des peptides vasoactifs) déclenche également la migration de la cellule.
Certains récepteurs chimiotactiques sont exprimés sur la surface membranaire et ont des caractéristiques à long terme car ils sont déterminés génétiquement. Cependant, il en existe d’autres ayant une dynamique à court terme, assemblés d’une façon ad hoc en présence du ligand. La différence des caractéristiques des récepteurs chimiotactiques et de celles des ligands permet la sélection des cellules ayant une réponse chimiotactique par un simple essai chimiotactique («chemotaxis assay»). Par la sélection chimiotactique il est possible de déterminer si une molécule encore non caractérisée agit via les voies de récepteur long terme ou court terme. L'expression « sélection chimiotactique » peut aussi désigner une technique permettant de séparer les cellules eucaryotes ou procaryotes en fonction de leur capacité de répondre au ligand de sélection par la chimotaxie.
Le nombre de molécules capables de déclencher une réponse chimiotactique est relativement élevé. De plus, nous pouvons distinguer des molécules chimiotactiques primaires et secondaires. Les groupes majeurs des ligands primaires sont les suivants :
L’étude de la structure 3D des chimiokines a prouvé qu’une composition caractéristique des motifs feuillet-β et une hélice-α assure l’expression de la séquence nécessaire pour l’interaction avec le récepteur de chimiokine. La formation d’un dimère ainsi que l’activité biologique accrue ont été démontrées par la christallographie d’un certain nombre de chimiokines (p.ex. IL-8)
Les réponses chimiotactiques déclenchées par les interactions entre les ligands et les récepteurs sont en général distinguées à la base de la concentration effective optimale du ligand. Or, la corrélation entre l’amplitudede la réponse et la proportion des cellules répondant est également une propriété caractéristique de la signalisation chimiotactique. Les études des différentes familles de ligands (p. ex. Acides aminés, oligopeptides) ont prouvé l’existence d’une correspondance (« fitting of ranges ») entre les gammes (amplitudes, nombre des cellules répondant) et le chimiotactisme. Le pouvoir chimioattractant est accompagné par des gammes larges, tandis que le caractère chimioreppellant par des gammes étroites.
Le changement éventuel du potentiel migratoire des cellules a une importance relativement élevée dans le développement de certains symptômes et syndromes cliniques. Le chimiotactisme altéré des pathogènes extracellulaires (p. ex.Escherichia coli) et intracellulaires (p. ex.Listeria monocytogenes) représente en soi une cible clinique significative. La modification de la capacité chimiotactique intrinsèque de ces micro-organismes par des agents pharmaceutiques peut diminuer voire inhiber le taux des infections ou la propagation des maladies contagieuses. En plus desinfections, il existe d’autres maladies dont l’origine est une chimiotaxie restreinte (endommagée) telles que lesyndrome de Chediak-Higashi, lors duquel des vésicules intracellulaires géantes inhibent la migration normale des cellules.
Une large gamme de techniques est disponible pour évaluer l’activité chimiotactique des cellules ainsi que le caractère chimioattractant ou chimioreppelant des ligandes. Les exigences de base des mesurages sont les suivantes :
Malgré le fait que l’essai chimiotactique idéal ne soit toujours pas disponible, il existe pourtant certains protocoles et pièces d’équipement offrant une correspondance acceptable avec les conditions énumérées ci-dessus. Les plus utilisés sont :
p. ex. PP-chamber
p. ex. Chambre de Boyden, chambre de Zigmond, chambre de Dunn, chambre « Multi-well » Techniques capillaires
p. ex. Technique de « T-maze » – technique d’opalescence – essai d’orientation
(Vous trouvez un chapitre plus détaillé à « Chemotaxis assay »)
Pour être capables de se mouvoir, les cellules ont besoin de plusieurs composants cellulaires (tels que les moteurs cellulaires, diverses enzymes, etc.). De plus, elles doivent être capables de changer leur forme. Dans un sens large le mouvement cellulaire a deux types…
Hapoptatique (qui signifie un mouvement en réponse des stimuli physiques ou méchaniques). Chimiotactique (qui est un mouvement en réponse d’un gradient chimique).