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Chez les organismes pluricellulaires, les cellules se regroupent au sein d'unités fonctionnelles (tissus ou organes). Cette organisation nécessite l'étroite coordination de chaque cellule. Afin de réaliser cette coordination, les cellules disposent d'un mode de communication direct et économique : les jonctions communicantes ou jonctions de type gap. Cet article résume les connaissances actuelles sur la distribution des connexines qui composent les jonctions gap dans certaines glandes des mammifères et met en perspective les données récentes démontrant le rôle de ces structures dans la fonction des cellules endocrines comme le contrôle de la sécrétion d'insuline. Ces recherches sont cruciales pour le développement d'une thérapie cellulaire qui permettrait la transplantation des cellules b pancréatiques humaines chez les patients diabétiques.
La plupart des fonctions endocriniennes sont dépendantes du bon fonctionnement de glandes multicellulaires qui nécessite l'existence d'un système coordonnant la fonction des cellules productrices d'hormones. Avec l'évolution, ce système s'est développé en un réseau complexe dans lequel de multiples signaux diffusent dans les espaces intercellulaires et interagissent avec les cascades de signalisation dépendantes de protéines localisées au niveau des contacts cellulaires. Les cellules productrices d'hormones sont ainsi informées de l'état d'activité de leurs voisines et peuvent réguler leur propre niveau de sécrétion. Chez les vertébrés, ce réseau de communication intercellulaire est notamment possible grâce à la présence de canaux regroupés dans les jonctions communicantes de type gap et reliant les cellules adjacentes.1 La communication réalisée par ces canaux permet d'obtenir rapidement un équilibre intercellulaire de gradients électrochimiques, d'ions cytoplasmiques et de petites molécules qui jouent un rôle crucial pour une sécrétion hormonale optimale. De plus, les jonctions gap permettent le recrutement et la coordination d'une population de cellules qui, individuellement, fonctionneraient de façon asynchrone.1 De nombreuses études indiquent que les jonctions gap participent au contrôle de la biosynthèse, du stockage et de la sécrétion d'hormones ainsi qu'à leur action sur les cellules cibles. Les études récentes ont révélé que ces jonctions sont formées par une famille de plus de vingt protéines, appelées connexines, qui forment des canaux transmembranaires. L'utilisation d'outils moléculaires a permis de mettre en évidence le fait que des cellules endocrines sécrétant différentes hormones expriment des connexines différentes, tout en excluant systématiquement l'expression d'autres types de connexines. Le développement de modèles de souris modifiées génétiquement permet de changer l'expression de connexines spécifiques dans un tissu particulier et aide ainsi à disséquer les mécanismes moléculaires qui expliquent la spécificité tissulaire des connexines. Dans cette revue, nous décrirons les résultats récents mettant en évidence l'importance de la signalisation intercellulaire par les jonctions gap dans la fonction des cellules endocrines ou exocrines.
La nomenclature distingue les connexines sur base de leur masse moléculaire précédée du préfixe Cx. Ainsi, une connexine de 36 kiloDalton est appelée Cx36. Chez les mammifères, chaque connexine est codée par un gène distinct. La plupart des cellules sécrétrices des glandes endocrines expriment la Cx43, qui est la connexine ayant la plus large distribution tissulaire, ou la Cx26. Certains types de cellules endocrines et la plupart des neurones expriment la Cx36, alors que la Cx40 n'a été observée que dans les cellules du rein produisant la rénine. Inversement, les cellules parenchymateuses des glandes exocrines expriment généralement la Cx32. La présence de cette connexine dans la glande thyroïde pourrait s'expliquer par le fait que cette dernière se développe embryologiquement comme une glande exocrine et qu'elle maintient chez l'adulte une organisation architecturale reflétant ce mode de sécrétion, initialement dans un espace non vasculaire.2 Des études récentes commencent à éclaircir les mécanismes qui permettent aux cellules d'exprimer spécifiquement un type de connexine plutôt qu'un autre. Par exemple, nous avons caractérisé la région régulatrice de la Cx36 humaine et identifié une région du promoteur qui permet l'expression spécifique de cette connexine dans les neurones et les cellules b sécrétrices d'insuline.3 Cette région contient, chez les rongeurs, un élément conservé qui permet l'attachement d'un facteur REST/NRSF qui réprime les gènes neuronaux.4 L'absence de ce facteur dans les cellules b pancréatiques et les neurones, confère à ces deux types cellulaires de nombreuses similitudes, notamment celle d'exprimer la Cx36.5 Une autre étude a montré que des souris invalidées pour le facteur de transcription Mist1, qui est exprimé dans les cellules exocrines, présentaient une architecture et une fonction anormales des acini pancréatiques, en raison d'une expression diminuée de Cx32.6 Ainsi, un contrôle différent de l'expression des gènes des connexines explique leur spécificité dans les glandes endocrines et exocrines.2
La raison pour laquelle différents types de cellules endocrines expriment des connexines distinctes n'est pas connue. Cette sélection n'est pas due à l'origine embryologique de la glande, à la chronologie de sa différenciation au cours du développement ou à son architecture chez l'adulte. La nature biochimique, le contrôle de la biosynthèse ou de la sécrétion des hormones ne semblent pas non plus être impliqués. Cependant, il est maintenant démontré que différentes connexines forment des canaux caractérisés par une conductance, une perméabilité et des modes de régulation différents.7 Il est donc probable que les jonctions communicantes des cellules endocrines favorisent le passage de signaux spécifiques, tout en excluant la diffusion d'autres signaux, pour favoriser une sécrétion optimale spécifique de chaque glande.
Les cellules b du pancréas sécrètent l'insuline en réponse à une augmentation de la glycémie dans le sang (figure 1). Ces cellules communiquent par des jonctions gap (figures 2 et 3) formées par la Cx36 (figure 4).5,8 Plusieurs observations indiquent que ce couplage est impliqué dans le contrôle de la sécrétion d'insuline (figure 4). Par exemple, des lignées cellulaires n'exprimant pas de Cx36 ne sécrètent pas l'insuline de façon normale.9 De même, les cellules b isolées présentent un taux de transcription du gène de l'insuline et une réponse au glucose diminués, deux défauts qui sont corrigés lorsque les contacts cellulaires sont rétablis.10 De plus, des agents pharmacologiques inhibant le couplage jonctionnel abolissent la sécrétion d'insuline induite par le glucose.11
L'utilisation d'outils moléculaires permettant de moduler les niveaux d'expression de la Cx36 a permis de démontrer qu'une diminution ou une augmentation du contenu de cette connexine dans des cellules b entraînait une perte de réponse au glucose et une réduction du contenu en insuline.9,12,13 Ces résultats suggèrent que des taux précis de Cx36 assurent la coordination de l'ensemble des cellules b des îlots de Langerhans, et permettent une sécrétion synchrone et contrôlée d'insuline. L'étude de souris invalidées pour le gène de la Cx36 confirme ces conclusions in vivo.14 Ce travail a montré que la perte d'expression de Cx36 n'altérait pas le développement des îlots pancréatiques. Par contre, les cellules b de ces îlots ne sont plus capables de synchroniser entre elles les oscillations de calcium qui sont normalement observées lors d'une stimulation de la sécrétion d'insuline par le glucose.14 Les îlots de Langerhans dont les cellules b ne sont plus couplées par la Cx36 ont aussi une sécrétion basale d'insuline augmentée, ce qui entraîne une légère hypoglycémie (figure 4) ; de plus, ces îlots pancréatiques ne répondent pas par une élévation normale du niveau de sécrétion lorsqu'ils sont mis en présence de glucose.14 Ces altérations sont comparables à celles observées chez des patients atteints d'un diabète de type 2, ce qui démontre que la signalisation dépendante des canaux jonctionnels formés de Cx36 est essentielle pour le contrôle de la sécrétion d'insuline. Récemment, nous avons montré que l'expression de la Cx36 était fortement diminuée par le glucose (Allagnat et coll., données non publiées). Puisqu'un excès ou un manque de Cx36 est délétère pour la sécrétion d'insuline, ces travaux indiquent qu'une modification des niveaux endogènes de Cx36 pourrait participer à la régulation dynamique de la sécrétion d'insuline en réponse à des concentrations physiologiques de glucose. Aucune étude n'a encore pu mettre en évidence une mutation de la région codante de la Cx36 humaine, bien que le gène codant cette protéine puisse être l'une des cibles expliquant les défauts de sécrétion d'insuline observés chez les diabétiques de type 2. Des recherches s'intéressant aux régions régulatrices du génome qui contrôlent les niveaux d'expression de la Cx36, et à la présence de polymorphismes chez les patients diabétiques doivent encore être réalisées. L'observation que des cellules b humaines expriment également la Cx36 dès le début de la différenciation du pancréas endocrine suggère que cette connexine pourrait également être impliquée dans le contrôle du développement et de la croissance des cellules b différenciées. Ces deux événements sont bien évidemment cruciaux pour le développement de nouveaux traitements par transplantation cellulaire des patients diabétiques.
Les données expérimentales sont moins avancées sur le rôle des connexines dans d'autres glandes. Les cellules neuro-endocrines de l'hypothalamus sont également couplées par la Cx3615 et des études électrophysiologiques ont indiqué que ce couplage jonctionnel est impliqué dans le contrôle de la sécrétion pulsatile de plusieurs neuropeptides comme la gonadolibérine (GnRH), le peptide hypothalamique (GHRH), et la gonadoréline (LHRH).16-18 Les cellules endocrines de l'adénohypophyse sont couplées par la Cx43 et Cx26.2 Ce couplage augmente la synchronisation de vagues calciques transitoires,19 qui sont propagées à travers la glande entière par un réseau de cellules folliculo-stellées exprimant la Cx43.20 De plus, des changements dans le niveau d'expression de la Cx43 ont été observés dans l'hypophyse en fonction des changements dans la sécrétion de prolactine.21
Les cellules chromaffines de la médullosurrénale sont couplées par la Cx36 qui permet, de façon transitoire, le transfert de calcium généré par des potentiels d'action.22 Le blocage pharmacologique de la transmission synaptique, ainsi que la dénervation des glandes surrénales, entraînent une augmentation du couplage des cellules chromaffines, un effet observé chez les rats nouveau-nés dont les transmissions synaptiques ne sont pas complètement matures. Ces résultats indiquent que le transfert des signaux dépendants de la Cx36 est inhibé par les contacts synaptiques de type cholinergique.23
Les cellules folliculaires de la glande thyroïde sont couplées par les Cx32, Cx26 et Cx43.2 En culture, ces cellules perdent l'expression de la Cx32, ne forment plus de follicules et sécrètent moins de thyrotrophine (TSH). L'induction de Cx32 ou la présence de TSH, qui préserve l'expression de Cx32 en culture, corrige ces changements, favorise la formation des follicules24 et augmente l'expression du gène de la thyréoglobuline.25 Ces résultats démontrent l'implication de la Cx32 dans le fonctionnement de la thyroïde. Cette protéine pourrait donc être impliquée dans la morphogenèse des follicules thyroïdiens, bien qu'aucun effet n'ait été jusqu'ici observé chez les souris invalidées pour la Cx32.26
Les cellules du trophoblaste placentaire sont connectées par la Cx43. Il a été démontré que le blocage pharmacologique de leurs jonctions communicantes, ainsi que la diminution de l'expression de Cx43, empêchent la fusion des cellules du cytotrophoblaste nécessaire à la formation du syncytiotrophoblaste. Ces altérations s'accompagnent d'une diminution de l'expression de gènes spécifiques du trophoblaste, tels que celui qui code pour la gonadotropine humaine chorionique, et de la sécrétion de la somatotropine chorionique.27,28
Des travaux récents ont démontré que la signalisation intercellulaire par les connexines peut aussi impliquer des cellules cibles en plus des cellules endocrines, un mécanisme qui suggère une coopération entre les cellules produisant un signal et les cellules effectrices. Dans certaines situations, les connexines sont impliquées dans un échange de signaux paracrines lorsqu'une cellule endocrine relâche une hormone agissant sur des cellules avoisinantes. Les îlots pancréatiques en sont un exemple, puisque l'insuline relâchée par les cellules b agit sur des récepteurs situés sur les cellules adjacentes ou très proches, comme les cellules à glucagon (a), à somatostatine (d) ou encore les cellules PP qui sécrètent le polypeptide pancréatique. De même, le glucagon et la somatostatine relâchés par les cellules a et d, agissent sur des récepteurs localisés sur les cellules b voisines.29,30 Aucune étude n'a encore montré si le couplage hétérologue entre ces différents types cellulaires qui composent les îlots de Langerhans, module la fonction endocrine de ces micro-organes.31
Au niveau de l'appareil juxtaglomérulaire du rein, de nombreux types cellulaires forment la partie endocrine du néphron. Ces régions jouent un rôle central dans le contrôle de la pression artérielle.32 Les cellules sécrétant la rénine sont des cellules musculaires modifiées localisées dans l'artériole afférente des glomérules rénaux. Elles sont connectées les unes aux autres par la Cx40, qui couple également les cellules à rénine aux cellules endothéliales adjacentes. L'étude d'un modèle de rats rendus hypertendus par une stimulation de la sécrétion de rénine, a démontré que la Cx40 est impliquée dans le contrôle de la sécrétion de rénine et, par conséquent, dans celui du tonus vasculaire.33 La Cx40 pourrait jouer un rôle primordial dans l'intégration des signaux chimiques et physiques qui interagissent pour contrôler la pression artérielle.34 La Cx43 étant également exprimée dans les cellules de l'appareil juxtaglomérulaire, nous avons étudié un modèle de souris dans lequel cette connexine a été remplacée par la Cx32, une protéine qui n'est pas exprimée au niveau du système cardiovasculaire. Suite à la stimulation de la sécrétion de rénine, les souris exprimant la Cx32 au lieu de la Cx43 ne développent pas d'hypertension, contrairement aux souris contrôles (Haefliger et coll., données non publiées). Il se pourrait que l'altération du couplage entre les cellules endothéliales et/ou entre celles-ci et les cellules musculaires modifie la sécrétion des cellules à rénine de l'appareil juxtaglomérulaire. Des résultats préliminaires obtenus dans notre laboratoire montrent que les souris invalidées pour le gène de la Cx40 développent une hypertension dépendante de la rénine, laissant supposer un rôle de barorécepteur de la Cx40 dans le contrôle de la sécrétion de rénine (Krattinger et coll., données non publiées). Un phénomène analogue est observé dans l'hypophyse, où les cellules folliculo-stellaires non endocrines communiquent avec des cellules endocrines distantes, en établissant des jonctions communicantes qui permettent une propagation rapide du calcium cytosolique.35 Cet arrangement constitue un mécanisme efficace pour contrôler la fonction de différents types cellulaires distribués dans toute la glande.
Les cellules sécrétrices des glandes exocrines, comme les cellules acinaires du pancréas exocrine et les glandes salivaires, ou encore les cellules alvéolaires des glandes mammaires expriment la Cx26 et la Cx32. Il est probable que ces deux connexines soient exprimées par la plupart des glandes exocrines 2 parce que les jonctions qu'elles forment possèdent des propriétés de conductance et de perméabilité particulièrement adaptées à leurs fonctions exocrines (figure 3). Des changements dans les niveaux de sécrétion des hépatocytes, des glandes acinaires du pancréas et des glandes lacrymales ont été observés chez des souris invalidées pour la Cx32, malgré la persistance de taux normaux de Cx26.36 L'utilisation d'agents bloquant la communication jonctionnelle a également montré une augmentation de la sécrétion d'amylase,37 suggérant que le découplage des cellules acinaires est important pour initier, maintenir ou augmenter la sécrétion d'enzymes pancréatiques. Les jonctions communicantes ont donc un rôle physiologique crucial dans le contrôle des niveaux de sécrétion basale et stimulée des enzymes digestives.
A ce jour, un seul cas clinique a établi un lien entre la mutation d'une connexine et une maladie liée à une sécrétion hormonale anormale. Il s'agit d'une mutation de la Cx26 associée à un cas de puberté retardée.38 A l'avenir, il faudra déterminer les molécules impliquées dans la transmission des signaux intercellulaires. Plusieurs de ces molécules (cAMP, Ca2+, K+, IP3, etc.), ainsi que des nucléotides ou des intermédiaires de la glycolyse, peuvent passer à travers les jonctions communicantes. Ces métabolites sont impliqués dans différents types de sécrétion, ce qui complique l'identification de signaux responsables d'une sécrétion spécifique. Dans le cas du diabète de type 1, une maladie résultant de la perte des cellules b pancréatiques, la transplantation chez les malades de cellules endocrines, sécrétant de façon efficace l'insuline en réponse au glucose est une perspective qui nécessite le développement de cellules exprimant la Cx36 de manière contrôlée. L'expression adéquate de cette connexine pourrait également être importante pour la différenciation des cellules productrices d'insuline à partir de cellules précurseurs, leur division et leur survie lors de la transplantation. D'autre part, le développement des substances pharmacologiques permettant de modifier le couplage jonctionnel de façon spécifique devra être poursuivi. Par exemple, le glibenclamide, une sulfonylurée qui augmente la sécrétion d'insuline, favorise l'assemblage des canaux formés de la Cx36,37 alors que la méfloquine, un médicament utilisé dans la prévention de la malaria, bloque ces mêmes canaux avec une certaine sélectivité.39