La présence de vaisseaux fenêtrés dans les OCVs leur confère deux fonctions essentielles dans les communications sang/cerveau :
- La neurosécrétion de peptides et de protéines vers le sang.
- L’accès de molécules plasmatiques telles que les hormones ou les nutriments aux cellules nerveuses.
Ces propriétés les impliquent ainsi dans de nombreuses fonctions physiologiques (Tableau 2).
Nom de l’OCV
Localisation Sensoriel ou Sécréteur
Rôle pour les réponses neuroendocriniennes
Projections
OVLT 3V, B +0,5 Les deux Contrôle de la balance hydrique Soif
Aire préoptique, VMH, Noyau supraoptique, SFO, Locus coeruleus
SFO 3V, B -0.5 Sensoriel Réponse à la soif Osmorégulation
Contrôle cardiovasculaire Homéostasie énergétique
PVH, Noyau préoptique médial, OVLT, Noyau supraoptique, Noyau du raphé
ME 3V, B -1,5 Sécréteur Libération de neurohormones dans le système porte vers
l’adénohypophyse
-
Neurohy- pophyse
B -2 Sécréteur Libération de l’ocytocine et la vasopressine produites par les neurones magnocellulaires de l’aire supraoptique et du PVH
-
SCO 3V, B -2 Sécréteur Formation de la fibre de Reissner Homéostasie du LCR
-
Glande pinéale
Glande, B -2.5 Sécréteur Sécrétion de mélatonine
Régulation des rythmes jour/nuit
-
AP 4V, B -4.5 Sensoriel Centre du vomissement Contrôle cardiovasculaire et respiratoire Pression sanguine Homéostasie énergétique NTS, Noyau parabrachial, Locus coeruleus
41 2.2 Les jonctions serrées : régulateur des barrières sang/cerveau
Le point commun à ces trois interfaces est la présence de JS au niveau des cellules endothéliales, des cellules épithéliales ou des cellules épendymaires bordant les OCV (Figure 4). Ces JS sont des assemblages de protéines transmembranaires et intracellulaires formant un complexe jonctionnel entre deux cellules adjacentes et bloquant la voie paracellulaire.
2.2.1 Les protéines des jonctions serrées
L’occludine a été la première protéine transmembranaire observée dans les JS (Furuse et al., 1993). On la retrouve au niveau de la BHE, des PC et de l’EM (Mullier et al., 2010). D’un poids moléculaire de 65 kDa, elle possède 4 domaines transmembranaires, deux boucles extracellulaires et deux terminaisons cytosoliques. Son domaine C-terminal est hautement conservé et est important pour l’assemblage et une bonne imperméabilité de la JS (Balda et al., 1996; Kale et al., 2003). Son domaine extracellulaire assure l’adhésion intercellulaire dépendante du calcium (Van Itallie and Anderson, 1997). Cependant, des souris KO pour cette protéine sont viables et développent des JS morphologiquement et fonctionnellement normales. Cependant, elles présentent certains phénotypes pathologiques comme un retard de croissance post-natal ou un comportement sexuel anormal (Saitou et al., 2000). Les auteurs en ont conclu que l’occludine ne serait donc pas nécessaire à la formation des JS mais jouerait plutôt un rôle dans l’induction de signaux intracellulaires. Cependant, d’auteurs auteurs ont tout de même montré sa capacité à former des JS, bien que celles-ci ne soient pas très étanches (Furuse et al., 1996).
Les claudines forment une famille de protéines transmembranaires des JS d’environ 24 membres. Bien que possédant aussi 4 domaines transmembranaires, elles n’ont pas d’homologie de séquence avec l’occludine. Leur boucle extracellulaire assure une adhésion intercellulaire très forte qui est indépendante du calcium. Les claudines sont suffisantes pour former des JS (Furuse et al., 1998a; Morita et al., 1999). Contrairement à l’occludine, les claudines ne sont pas distribuées de manière égale dans chaque tissu, ce qui crée les différences d’étanchéité des différents épithéliums de l’organisme (Tsukita and Furuse, 2000a, 2000b). En effet, la combinaison spécifique de différentes claudines permet de définir les propriétés de chaque JS. Premièrement, elle détermine l’efficacité de la JS : les claudines 1 et 3 seraient responsables de l’association des JS au feuillet protoplasmique P (Furuse et al., 1998b), soit d’une haute TEER ; tandis que la claudine 2 forme des jonctions associées au feuillet endoplasmique E (Furuse et al., 1998b), soit d’une plus faible TEER. La combinaison des différentes claudines détermine également la perméabilité paracellulaire. En effet, la perméabilité aux ions ou aux molécules de différents poids moléculaires est définie par les
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claudines. Par exemple, les JS deviennent permissives aux molécules de moins de 800 Da chez la souris KO pour la claudine 5 (Nitta et al., 2003), tandis que des mutations de la claudine 16 induisent des problèmes de perméabilité paracellulaire au calcium et au magnésium (Hou et al., 2005; Simon et al., 1999). Au niveau du cerveau, les claudines 3 et 5 sont présentes au niveau de la BHE (Mullier et al., 2010; Wolburg and Lippoldt, 2002) ; les claudines 1 et 5 sont exprimées au niveau de l’EM (Mullier et al., 2010) et les claudines 1, 2, 3 et 11 sont exprimées au niveau des PC (Redzic and Segal, 2004; Wolburg et al., 2001).
Les molécules d’adhésion JAM (JAM 1 à 4) appartiennent à la famille des immunoglobulines et sont retrouvées au niveau des JS. Elles possèdent un domaine transmembranaire et un domaine extracellulaire à deux motifs Ig. La neutralisation de JAM-1 perturbe les JS (Liu et al., 2000) et inhibe l’extravasation leucocytaire (Del Maschio et al., 1999). Au niveau du cerveau, JAM-1 et JAM-3 ont été observées (Aurrand-Lions et al., 2001).
Ces protéines transmembranaires sont reliées au cytosquelette par des protéines intracellulaires comme les zonula occludens (ZO). ZO1, 2 et 3 appartiennent à la famille des protéines guanylate kinase associées à la membrane. ZO1 est la première protéine associée aux JS identifiée. D’un poids moléculaire de 225 kDa, elle possède un segment N-terminal riche en domaine PDZ, permettant la liaison aux protéines transmembranaires et intracellulaires des JS, et un segment C-terminal permettant la liaison aux protéines du cytosquelette : ZO1 est donc considérée comme une protéine d’échafaudage. Au niveau central, elle est exprimée au niveau de la BHE, des PC et des OCV (Mullier et al., 2010; Petrov et al., 1994). ZO1 joue un rôle important dans la formation des JS. En effet, des cellules épithéliales n’exprimant plus ZO1 présentent des problèmes de formation des JS induite par le calcium (Sheth et al., 1997). Par ailleurs, ZO1 se fixe à l’occludine et aux claudines via ses domaines PDZ et permet ainsi leur bonne localisation dans la JS (Fanning and Anderson, 2009). ZO1 interagit également avec les protéines du cytosquelette, telle que l’actine. Cette interaction est particulièrement importante étant donné que des souris KO pour la dystrophine, une protéine du cytosquelette, présentent des JS perturbées (Nico et al., 2004). Enfin, ZO1 régule également l’expression génique. En effet, elle peut être localisée au niveau nucléaire dans des cellules en prolifération (Gottardi et al., 1996), et se lier à des facteurs de transcription, tel que ZONAB, pour moduler l’expression génique (Balda et al., 2003).
Cette description des protéines de JS n’est pas exhaustive. D’autres protéines y sont aussi présentes comme la cinguline, protéine d’échafaudage reliant la JS au cytosquelette et intervenant dans la prolifération cellulaire ; la protéine 7H6, intervenant dans l’assemblage des JS ; les protéines de polarité PAR3 et PAR6 ; la protéine aux multiples domaines PDZ MUPP1 ; la
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protéine AHNAK ou la protéine JACOP. De nombreuses kinases comme la protéine kinase C, les tyrosine-kinases c-SRC et c-Yes, ou les phosphatases PP1 ou PP2A sont également présentes et régulent le niveau de phosphorylation des protéines constituant la JS afin de réguler son étanchéité (voir pour revue Ebnet, 2008).
Figure 4 : Représentation schématique des différentes barrières sang/cerveau. Trois interfaces sang/cerveau ont été décrites dans la littérature : la barrière hémato-encéphalique (BHE), les plexus choroïdes (PC), et les organes circumventriculaires (OCVs). Ces interfaces sont constituées de cellules endothéliales (pour la BHE) ou d’une association entre cellules endothéliales et cellules épithéliales ou épendymaires (respectivement pour les PC et les OCVs). Au niveau de ces interfaces, une barrière sang/cerveau, assurée notamment par des jonctions serrées (en vert), permet le maintien de l’homéostasie cérébrale. Au niveau de la BHE, les propriétés de barrière sont portées directement par les cellules endothéliales : les molécules périphériques (fond rose) sont donc confinées dans le vaisseau et ne peuvent pas diffuser dans le parenchyme cérébral. Au niveau des PC, les vaisseaux sont fenêtrés ce qui permet aux molécules du sang (fond rose) de pénétrer dans l’espace périvasculaire. Les propriétés de barrière sont portées par les cellules épithéliales qui empêchent ainsi la diffusion des molécules vers le liquide céphalorachidien : les molécules restent donc dans l’espace périvasculaire. Au niveau des OCVs, les vaisseaux sont également fenêtrés permettant l’entrée des molécules du sang (fond rose) dans l’espace périvasculaire. Les propriétés de barrière sont reportées plus loin au niveau de l’épendyme. De ce fait, les molécules du sang peuvent diffuser dans le parenchyme de l’OCV jusqu’à la barrière épendymaire : tout élément neuronal présent dans l’OCV pourra alors recevoir des informations de la circulation sanguine.
2.2.2 Les fonctions des jonctions serrées
La principale fonction des JS est de restreindre la perméabilité paracellulaire : cette fonction est à la base des propriétés de barrière des épithéliums ou des endothéliums. Cette étanchéité est assurée par l’association des boucles extracellulaires des protéines transmembranaires de deux cellules voisines afin de bloquer la voie paracellulaire. Cependant, les JS, selon leur composition en claudines, constituent également des pores sélectifs laissant passer certains ions via la voie paracellulaire. Les JS sont aussi impliquées dans la mise en place d’une polarité cellulaire. En effet, elles encerclent entièrement la cellule formant ainsi une barrière à la diffusion des lipides et des protéines de la membrane plasmique : cela induit une distribution différentielle des transporteurs et des récepteurs entre la face luminale et abluminale des cellules (Betz and Goldstein, 1980; Lidinsky and Drewes, 1983). La mise en
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place de cette polarité implique des voies de signalisation intracellulaire initiées par des protéines intracellulaires des JS, notamment par les protéines de polarité PAR3 et 6 (voir pour revue Shin et al., 2006). Enfin, les JS régulent également la prolifération cellulaire, en général en l’inhibant. En effet, plus la densité cellulaire augmente, plus l’assemblage des JS augmente et moins il y a de prolifération. Ce phénomène se déroule via la modulation des voies de signalisation ou la séquestration de facteurs de transcription (voir pour revue Matter et al., 2005).
2.3 Accès des signaux métaboliques périphériques régulant la prise alimentaire vers le système nerveux central via les interfaces sang/cerveau
Les interfaces sang/cerveau sont des zones d’échange entre la périphérie et le SNC. Dans le cadre de la régulation de la balance énergétique, ces interfaces constituent donc le lieu de passage des signaux métaboliques périphériques devant atteindre les centres régulateurs de la prise alimentaire (Figure 4). Les substances liposolubles telles que les AGL pénètrent dans le cerveau librement par simple diffusion à travers les membranes plasmiques lipidiques des capillaires cérébraux. En général, le potentiel de diffusion d’une molécule à travers la BHE corrèle bien avec sa liposolubilité (Cornford et al., 1982). Outre son facteur de solubilité, les molécules à charge positive ont aussi un avantage pour traverser la BHE probablement à cause de leurs interactions avec le glycocalix et les phospholipides membranaires négatifs. Cependant, à l’état physiologique, la majorité des molécules sont chargées négativement. Ainsi, les molécules hydrophiles ou chargées négativement ne peuvent pas diffuser à travers les barrières sang/cerveau et devront donc utiliser d’autres systèmes pour amener leur information au SNC (Tableau 1).
2.3.1 Transport transendothélial via les Transporteurs/Récepteurs
Un premier type de transport au niveau des barrières sang/cerveau est le transport transendothélial (ou transépithélial au niveau des PC). Pour les petites molécules hydrophiles, des transporteurs ont été décrits au niveau des interfaces sang/cerveau. Il en existe pour les hexoses (glucose, mannose, arabinose, galactose), les AA (phénylalanine, leucine), les acides monocarboxyliques (lactate, corps cétoniques), les nucléosides (adénine, guanine, uridine), la choline et les ions (voir pour revue Abbott et al., 2010). Pour les macromolécules hydrophiles, des récepteurs spécifiques ont aussi été décrits au niveau des cellules endothéliales ou des cellules épithéliales des PC. Ces récepteurs vont permettre le transport des macromolécules du sang vers le cerveau par des mécanismes de transcytose. Dans tous les cas, la présence de transporteurs/récepteurs, leur distribution différentielle sur les membranes luminale et
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abluminale (gérant la direction du transport) et le gradient de concentration des molécules sont des critères à prendre en compte pour déterminer comment une molécule hydrophile est transportée au niveau des interfaces sang/cerveau.