Biologie de Campbell #11 - La communication cellulaire

LES SIGNAUX EXTERNES SONT CONVERTIS EN RÉPONSE DANS LA CELLULE 

Les cellules communiquent grâce à des signaux chimiques, par exemple des hormones, ou des phéromones (entre individus différents). Pour que le message soit transmit, il faut une adéquation entre la substance transmise et le récepteur cible. Par exemple, c'est indispensable pour que les micro-organismes, comme les levures unicellulaires, s'accouplent uniquement entre membres d'une même espèce : elles se reconnaissent car le facteur (phéromone identificateur) de l'une active (et donc est compatible avec) le récepteur de l'autre.

Chez la levure, une fois le facteur de reconnaissance sexuelle liée au récepteur, se déroule une série d'étapes chimiques (voie de transduction du signal) qui provoque la réponse cellulaire de l'accouplement. La transduction du signal est très similaire chez les organismes plus complexes comme les animaux. Donc, sur le plan évolutionnaire, ces mécanismes sont apparus chez un ancêtre commun, il y a plus d'un milliard d'années.

Les bactéries utilisent une méthode similaire pour communiquer entre elles via signaux chimiques et coordonner leurs comportements, par exemple en signalant la nécessité de former des spores quand la nourriture commence à se faire rare. Ainsi, une méthode pour lutter contre les infections bactériennes pourrait être de brouiller ces signaux chimiques.

Comme vu dans les chapitres précédents, les cellules des organismes multicellulaires peuvent communiquer par contact direct :

• Via les jonctions cellulaires, qui sont comme des portes entre les cellules
• Par reconnaissance intercellulaire, quand deux cellules interagissent via des molécules membranaires (c'est la forme 3D de la molécule qui une cellule forme une "clé" alors que sur une autre il y aura la "serrure" appropriée)

 Il existe aussi des types de communication locale sans contact direct :

• La communication paracrine : la cellule qui doit émettre un signal sécrète des molécules de signalisation. C'est le cas par exemple pour les facteurs de croissance, des composés qui incitent des cellules adjacentes à croitre et à se diviser. 
• La communication synaptique : elle a lieu dans le système nerveux des animaux. Un potentiel électrique propagé le long du neurone déclenche la sécrétion de molécules de neurotransmetteurs. Ces molécules agissent comme des signaux chimiques : elles diffusent dans la fente synaptique (l'espace étroit séparant le neurone de la cellule cible) et provoquent une réponse chez la cellule cible.

La communication à distance, chez les végétaux comme chez les animaux, fait appel aux hormones. Chez les animaux, des cellules endoctrines spécialisées sécrètent des hormones dans les liquides corporels, généralement dans le sang. Les hormones ciblent des cellules situées ailleurs dans l'organisme. Les régulateurs de croissance végétaux empruntent parfois les tissus conducteurs de sève, mais, la plupart du temps, elles atteignent leur destination en passant de cellule en cellule ou diffusent sous forme de gaz dans l'atmosphère.

Par exemple, et de façon schématique, l'adrénaline active l'hydrolyse du glycogène stocké dans les cellules hépatites ou musculaires : c'est le début d'une série de réactions qui servent à produire de l'énergie dans les cellules du foie et des muscles. En somme, en réaction à un stress physique ou émotionnel, l'adrénaline sécrétée par les glandes surrénales mobilise les réserves de combustible.

La taille et la nature des hormones est variable. Par exemple, l’éthylène, régulateur de croissance végétal qui aide à faire murir les fruits, est un hydrocarbure qui contient seulement 6 atomes assez petits pour traverser les parois cellulaires, alors que l'insuline, l'hormone animale qui régule la concentration de glucose sanguin, est une protéine formée de 51 acides aminés et donc de plusieurs centaines d'atomes.

Aperçu des trois phases de la communication cellulaire :

• Réception. Une cellule cible détecte un signal externe. Un signal chimique est détecté quand la molécule de signalisation se lie à un récepteur protéique de la cellule cible. 

Il existe différents types de récepteurs protéiques, et ils comptent pour 30% de toutes les protéines humaines. Ils sont très difficiles à étudier tout en étant la cible d'une grande partie des médicaments. Les récepteurs intracellulaires ont souvent pour rôle d'activer ou désactiver des gènes spécifiques.

• Transduction. Quand elle se lie au récepteur protéique, la molécule de signalisation le modifie de façon à amorcer la phase de transduction. Le signal est converti en une forme capable d'engendrer une ou plusieurs réponses cellulaires, ce qui requiert souvent des modifications successives de plusieurs molécules : c'est la voie de transduction du signal. 

Le processus d'activation ou de désactivation des protéines s'appelle cascade de phosphorylations. Ils existe aussi en plus des protéines des plus petites molécules et des ions qui transmettent le message, ce sont les seconds messagers : comme ils sont plus petits et plus hydrosolubles, ils se diffusent facilement dans le milieu intracellulaire.

Par exemple, la bactérie du choléra modifie chimiquement une protéine de la phase de transduction qui régule la sécrétion d'eau et de sel dans la lumière intestinale. Cette protéine est bloquée dans une phase active et ne peut stopper sa stimulation : elle produit en continue des seconds messagers (AMP cyclique) qui activent la sécrétion de sels dans l'intestin, sels qui entrainent l'eau par osmose et provoque diarrhées.

• Réponse. Accomplissement de la fonction recherchée.

Un grand nombre de voies de transduction aboutissent à la régulation de la synthèse de protéines, habituellement par l'activation ou la désactivation de gènes spécifiques dans le noyau. Il peut s'agir de l'activité des protéines. L'ampleur et la spécificité de la réponse sont régulées de multiples manières :

• L'amplification du signal : une cascade enzymatique élaborée permet d'augmenter considérablement le nombre de molécules impactées par un signal. Ainsi, par exemple dans le cas de l'adrénaline, pour un seul récepteur activé par une molécule d'adrénaline, la cascade enzymatique permet au final la libération de 10⁸ molécules de glucose-1-phosphate. C'est ce qui explique pourquoi les hormones peuvent agir à des doses très faibles. (Une molécule signal active 10 cellules cible, celle-ci libère 10 molécules qui activent chacune 100 cellules cibles, etc.)
  
• La spécificité de la communication cellulaire : en fonction des particularités de chaque cellule (selon les gènes qu'elles actives), elles ne répondent pas de la même façon au même signal. Par exemple, l'adrénaline pousse les cellules hépatiques à dégrader le glycogène, alors qu'elle stimule la contraction des cellules musculaires.
• La cessation du signal : lorsque la concentration externe des molécules de signalisation diminue, moins de récepteurs sont liés à tout moment, et les récepteurs qui ne sont pas liés reviennent à leur forme inactive.

Pour qu'une cellule exprime la réponse appropriée, il faut souvent que les protéine cellulaires intègrent des signaux multiples. C'est le cas de l'apoptose : une forme de suicide cellulaire. Durant l'apoptose, des agents cellulaires coupent l'ADN et fragmentent les organites et autres composants cytoplasmiques. La cellule rétrécit et forme des lobes, et les diverses parties de la cellule sont emballées dans des vésicules, puis avalées et digérées par les cellules phagocytaires voisines. L'apoptose protège ces cellules voisines des dommages qui occurreraient si les contenus de la cellule étaient simplement libérés. L'apoptose se déclenche, entre autres causes, si l'ADN de la cellule en endommagé.