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vasculaire dans l’hypertension artérielle pulmonaire
Sebastien Dumas
To cite this version:
Sebastien Dumas. Le récepteur NMDA, un nouvel acteur du remodelage vasculaire dans l’hypertension artérielle pulmonaire. Médecine humaine et pathologie. Université Paris Saclay (COmUE), 2015.
Français. �NNT : 2015SACLS139�. �tel-01823839�
NNT : 2015SACLS139
THESE DE DOCTORAT
DE L’UNIVERSITE PARIS-SACLAY, préparée à l’Université Paris-Sud
ÉCOLE DOCTORALE N°569
Innovation thérapeutique : du fondamental à l’appliqué Spécialité de doctorat : Physiologie, Physiopathologie
Par
M. Sébastien Dumas
Le récepteur NMDA, un nouvel acteur du remodelage vasculaire dans l’hypertension artérielle pulmonaire
Thèse présentée et soutenue à Le Plessis-Robinson, le 30 novembre 2015 :
Composition du Jury :
M. le Pr. Marc Humbert PU-PH, Université Paris-Sud Président Mme. le Dr. Gervaise Loirand DR1 INSERM, Université de Nantes Rapporteur M. le Pr. Bruno Crestani PU-PH, Université Paris Diderot Rapporteur M. le Dr. Luc Maroteaux DR1 CNRS, Université Pierre et Marie Curie Examinateur M. le Pr. Luc Mouthon PU-PH, Université Paris Descartes Examinateur M. le Dr. Philippe Vernier DR1 CNRS, Université Paris-Sud Examinateur M. le Pr. Christian Boitard PU-PH, Université Paris Descartes Invité Mme. le Dr. Sylvia Cohen-Kaminsky DR2 CNRS, Université Paris-Sud Directrice de thèse M. le Dr. Frédéric Perros CR1 INSERM, Université Paris-Sud Co-directeur de thèse
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REMERCIEMENTS
Aux membres du jury,
Je tiens tout d'abord à remercier le Pr. Marc Humbert, Président du jury, de m'avoir accueilli au sein du laboratoire INSERM UMR-S 999 pendant ces 4 années et de m'avoir permis de réaliser ces travaux grâce à ses encouragements réguliers et son soutien, y compris financier. Je le remercie également pour la grande patience dont il a fait preuve pendant ma thèse concernant l'écriture de l'article NMDAR. C'est un grand honneur que de vous voir présider mon jury de thèse.
Je remercie également vivement le Dr. Gervaise Loirand et le Pr. Bruno Crestani d'avoir accepté d'être rapporteurs de ma thèse et du temps que vous y consacrez. Merci au Dr. Gervaise Loirand de faire le déplacement de Nantes pour ma soutenance. Merci au Pr. Bruno Crestani pour le temps qu'il m'a accordé, ses conseils et les discussions enrichissantes que nous avons eues lors du comité de thèse.
Je remercie le Dr. Luc Maroteaux, le Pr. Luc Mouthon et le Dr. Philippe Vernier d'avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse en qualité d'examinateurs. Je vous en suis très reconnaissant.
Je remercie également le Pr. Christian Boitard de nous faire l'honneur de sa présence au sein du jury en tant que membre invité.
Je tiens à remercier chaleureusement et avec toute mon amitié le Dr. Sylvia Cohen-Kaminsky, ma directrice de thèse, de m'avoir encouragé et soutenu à tous les instants. Merci de m'avoir fait confiance en m'attribuant ce sujet bien atypique qui m'a passionné du début à la fin, et de m'avoir laissé me l'approprier pleinement en me laissant toute la liberté de penser. Merci enfin de m'avoir supporté pendant ces 4 années, malgré des échanges souvent très animées mais toujours très enrichissants et qui m'ont beaucoup apporté.
Je remercie également le Dr. Frédéric Perros, mon co-directeur de thèse, pour m'avoir appris tout ce qu'il faut savoir sans jamais avoir osé le demander sur l'HTAP. Merci également pour sa patience et son aide dans les expériences avec les animaux.
Aux membres du Centre Chirurgical Marie Lannelongue et du laboratoire INSERM UMR-S 999,
J'ai une première pensée pour Isabelle Klingel-schmitt qui nous a malheureusement quittés beaucoup trop tôt. Merci de m'avoir accueilli et formé pendant mes premiers jours au laboratoire.
Un grand merci aux chirurgiens du Centre Chirurgical Marie Lannelongue, Pr. Philippe Dartevelle, Pr.
Elie Fadel, Dr. Sacha Mussot, Dr. Olaf Mercier, Dr. David Boulate et Dr. Pierre-Emmanuel Noly qui m'ont permis de travailler avec du matériel pulmonaire humain d'une grande valeur et d'une qualité exceptionnelle.
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Je remercie également le Dr. Peter Dorfmüller pour ma formation en histologie pulmonaire et son expertise pour la qualification des lésions vasculaires pulmonaires.
Un grand merci à Dr. Gilles Bru-Mercier pour la grande et précieuse aide et surtout le soutien indéfectible que tu m'as apportés tout au long de ma thèse, j'ai adoré travailler avec toi.
Je remercie également Matthieu Vocelle, merci pour ta bonne humeur communicative et de m'avoir épaulé pour les manips, en espérant ne pas t'avoir trop traumatisé (tu dois encore faire des cauchemars avec toutes ces souris à génotyper).
Un grand merci également aux autres membres de l'équipe du Dr. Sylvia Cohen-Kaminsky, qui m'ont aussi aidé dans la dernière phase du projet : Dr. Audrey Courboulin, Dr. Morad Nakhleh, Marceau Quatredeniers et Mathilde Lafond. Et bienvenue au Dr. Nicolas Doisne et à Maria Vinhas !
Je remercie également tous les membres de l'équipe du Dr. Frédéric Perros et de l'équipe du Dr.
Christophe Guignabert, en particulier Florence Lecerf, Lilia Lamrani, Jennifer Arthur, Nicolas Raymond, Dr. Elodie Gouadon, Dr. Catherine Rücker-Martin, Dr. Fabrice Antigny, Dr. Philippe Jourdon, Aurélie Hautefort, Dr. Véronique Capuano et Yann Ruchon.
J'ai une pensée pour les ex-doctorantes qui m'ont fait une place dans leur bureau et un accueil chaleureux à mon arrivée : Dr. Natacha Gambaryan, Dr. Marie-Camille Chaumais et Dr. Alice Huertas.
Un grand merci à Yvonne Dutheil pour toutes ces commandes à passer pour hier et toutes les tracasseries administratives résolues. Et quel peintre de grand talent !
Je remercie Marie-Eva Dhez et Oriane Angot, stagiaires Sup'Biotech dévouées et agréables qui m'ont également aidé.
Merci également à toutes les personnes avec qui j'ai eu la chance de collaborer et que j'ai pu connaître tout au long de mon parcours, avec une mention spéciale pour nos amis chimistes Pr. Jean-Daniel Brion, Dr. Mouad Alami, Dr. Samir Messaoudi et Dr. Gilles Galvani, pour la pro de la chimie analytique Dr.
Audrey Solgadi, pour les dévouées aux animaux Valérie Domergue, Pauline Robert et Julie Burlot, et pour notre collaborateur spécialiste en imagerie par spectrométrie de masse Dr. Grégory Hamm.
Enfin je remercie les organismes qui m'ont financé : le Fonds de dotation "Recherche en Santé Respiratoire" et la Fondation pour la Recherche Médicale (FRM, bourse FDT20140931207).
Aux amis et membres de ma famille,
Je remercie l'ensemble de ma famille ainsi que mes amis pour leur affection et tous ces bons moments passés en leur compagnie.
Je veux plus particulièrement remercier mon frère Hervé et ma sœur Marion ainsi que mes parents, Marc et Nicole, pour leur soutien affectif durant toutes ces années mais aussi pour leurs encouragements sans lesquels je ne serais pas arrivé jusque-là.
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RESUME
Le récepteur NMDA, un nouvel acteur du remodelage vasculaire dans l’hypertension artérielle pulmonaire
L'hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est une maladie rare caractérisée par une augmentation de la pression artérielle pulmonaire moyenne liée à un important remodelage de la paroi vasculaire obstruant progressivement les petites artères pulmonaires. Le récepteur NMDA (NMDAR) est un récepteur au glutamate jouant un rôle crucial dans la transmission synaptique neuronale. Il est aussi présent dans des cellules périphériques, notamment les cellules vasculaires aortiques et cérébrales, et participe à leur prolifération. De plus, le NMDAR contribue à la prolifération des cellules cancéreuses. Puisque dans l'HTAP, les cellules vasculaires pulmonaires présentent un phénotype cancer-like, hyperprolifératif et résistant à l'apoptose, nous avons émis l'hypothèse selon laquelle les NMDARs vasculaires pulmonaires pourraient contribuer au remodelage vasculaire et conduire à l’HTAP. Nous avons montré que les cellules vasculaires pulmonaires expriment physiologiquement les principaux éléments d’une communication glutamatergique fonctionnelle via le NMDAR. Dans l'HTAP, le glutamate s'accumule dans les vaisseaux remodelés et l'endothéline-1, un acteur majeur du remodelage vasculaire, induit la libération du glutamate par les cellules musculaires lisses. Le NMDAR est mobilisé dans les cellules vasculaires et sa fonction pourrait être altérée en raison d'un déséquilibre dans le ratio d'expression de ses sous-unités. L'activation du NMDAR contribue à la prolifération des cellules vasculaires pulmonaires et à l'angiogenèse, éléments clés de la physiopathologie de l'HTAP. Des études réalisées sur des souris n'exprimant pas les NMDARs vasculaires ou utilisant des antagonistes du NMDAR mettent en évidence le rôle du NMDAR dans l'hypertension pulmonaire expérimentale. Ces résultats suggèrent que le NMDAR est un nouvel acteur du remodelage vasculaire et qu'il représente une nouvelle cible thérapeutique de l'HTAP. Ils apportent également de nouveaux éléments alimentant l'analogie entre le système vasculaire et le système nerveux.
MOTS CLES : Hypertension artérielle pulmonaire, Récepteur NMDA, Glutamate, Remodelage vasculaire, Prolifération, Angiogenèse
LABORATOIRE D'ACCUEIL : INSERM UMR-S 999 "Hypertension artérielle pulmonaire : Physiopathologie et Innovation thérapeutique"
Centre Chirurgical Marie Lannelongue
133 avenue de la résistance
92350 Le Plessis-Robinson, FRANCE
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ABSTRACT
The NMDA receptor, a new actor of the vascular remodeling in pulmonary arterial hypertension
Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disease characterized by an increase in the mean pulmonary arterial pressure, due to a deep vascular remodeling leading to the progressive obstruction of the small pulmonary arteries. The NMDA receptor (NMDAR) is a glutamate receptor playing a crucial role in the neuronal synaptic communication. It is also present in peripheral cells, including aortic and cerebral vascular cells, and promotes their proliferation.
Moreover, NMDAR contributes to proliferation of cancer cells. As pulmonary vascular cells exhibit a cancer-like hyperproliferative and apoptotic-resistant phenotype in PAH, we hypothesized that the activation of pulmonary vascular NMDARs may contribute to the vascular remodeling leading to PAH. We found that pulmonary vascular cells express the main features of a functional synaptic-like glutamatergic communication through NMDARs. In PAH, glutamate accumulates in pulmonary arteries, and endothelin-1, a major actor of the PAH-associated vascular remodeling, triggers glutamate release from smooth muscle cells. Furthermore, the NMDAR is mobilized and its function may be altered due to an unbalanced expression ratio of the NMDAR subunits. Moreover, NMDAR activation contributes to vascular cell proliferation and angiogenesis, key features of PAH pathophysiology. Finally, studies with NMDAR antagonists and vascular NMDAR-knockout mice showed that vascular NMDARs are involved in pulmonary hypertension. These results suggest that NMDAR is a new actor of the vascular remodeling and could represent a new therapeutic target in PAH. They also bring new pieces to the vascular/nervous parallels.
KEYWORDS: Pulmonary arterial hypertension, NMDA receptor, Glutamate, Vascular remodeling, Proliferation, Angiogenesis
LABORATORY: INSERM UMR-S 999 "Pulmonary arterial hypertension : Pathophysiology and therapeutic innovation"
Centre Chirurgical Marie Lannelongue
133 avenue de la résistance
92350 Le Plessis-Robinson, FRANCE
9
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS ... 5
RESUME ... 7
ABSTRACT ... 8
TABLE DES MATIERES ... 9
TABLE DES ILLUSTRATIONS ... 13
I. LISTE DES FIGURES ... 13
II. LISTE DES TABLEAUX ... 14
TABLE DES ANNEXES ... 14
LISTE DES ABREVIATIONS ... 15
AVANT‐PROPOS ... 17
INTRODUCTION ... 19
I. SYSTEME NERVEUX ET LE SYSTEME VASCULAIRE : QUELLES ANALOGIES ? ... 19
II. LA COMMUNICATION GLUTAMATERGIQUE DANS LE SYSTEME NERVEUX CENTRAL ... 23
II.1. Communication glutamatergique synaptique et extra‐synaptique ... 25
II.2. Éléments présynaptiques ... 27
II.2.1. Production de glutamate ... 27
II.2.1.1. Voie de la glutaminase : cycle mitochondriale Glutamine/Glutamate ... 27
II.2.1.2. Synthèse mitochondriale "de novo" de glutamate ... 28
II.2.1.3. Synthèse vésiculaire "de novo" de glutamate ... 29
II.2.2. Stockage du glutamate ... 29
II.2.3. Libération du glutamate ... 30
II.2.3.1. Libération vésiculaire ... 30
II.2.3.2. Libération non vésiculaire ... 31
II.2.4. Recapture du glutamate ... 31
II.3. Éléments postsynaptiques ... 32
II.3.1. Protéines d'échafaudage ... 32
II.3.2. Récepteurs au glutamate ... 32
II.3.2.1. Récepteurs métabotropiques au glutamate ... 32
II.3.2.2. Récepteurs ionotropiques au glutamate ... 33
II.3.3. Les récepteurs NMDA ... 36
II.3.3.1. Composition en sous‐unités et régulation du récepteur NMDA ... 36
II.3.3.2. Rôles des récepteurs NMDA : Dr. Jekyll et M. Hyde ... 39
III. UNE COMMUNICATION GLUTAMATERGIQUE PERIPHERIQUE ? ... 45
III.1. Éléments de la synapse excitatrice en dehors du système nerveux central ... 45
III.1.1. Molécules d'adhésion synaptiques ... 45
III.1.2. Transporteurs vésiculaires du glutamate ... 46
III.1.3. Récepteurs au glutamate ... 46
III.2. Le récepteur NMDA dans les trois systèmes impliqués dans l'hypertension artérielle pulmonaire ... 49
III.2.1. Poumons et cellules vasculaires ... 50
III.2.2. Système immunitaire ... 52
III.2.3. Cœur ... 52
10
IV. HYPERTENSIONS PULMONAIRES (HTPS) ET HYPERTENSION ARTERIELLE PULMONAIRE (HTAP) ... 54
IV.1. Définitions et classification ... 54
IV.2. Histologie ... 58
IV.2.1. Lésion médiale ... 59
IV.2.2. Lésions intimales ... 60
IV.2.3. Lésions complexes ... 61
IV.3. Physiopathologie ... 62
IV.3.1. Cellulaire ... 62
IV.3.1.1. Cellules vasculaires pulmonaires ... 62
IV.3.1.2. Cellules immunitaires ... 62
IV.3.1.3. Cellules cardiaques ... 63
IV.3.1.4. Autres types cellulaires impliqués dans l'HTAP ... 63
IV.3.2. Moléculaire ... 64
IV.3.2.1. Causes génétiques et épigénétiques ... 64
IV.3.2.1.1. BMPR2 ... 65
IV.3.2.1.2. ACVRL1, ENG, SMAD9 ... 67
IV.3.2.1.3. CAV1 ... 67
IV.3.2.1.4. KCNK3 ... 68
IV.3.2.1.5. Autres altérations génétiques ... 69
IV.3.2.1.6. Modifications épigénétiques ... 69
IV.3.2.2. Peptides et petites molécules ... 69
IV.3.2.2.1. Endothéline‐1 ... 69
IV.3.2.2.2. Sérotonine/5‐HT ... 71
IV.3.2.2.3. NO ... 74
IV.3.2.2.4. Prostanoïdes ... 75
IV.3.2.2.5. Angiotensine II ... 76
IV.3.2.3. Facteurs de croissance ... 76
IV.3.2.3.1. PDGF ... 76
IV.3.2.3.2. VEGF ... 78
IV.3.2.3.3. Autres facteurs de croissance impliqués dans l'HTAP ... 79
IV.3.2.4. Cytokines, chimiokines et auto‐anticorps ... 80
IV.3.2.4.1. TNFα ... 80
IV.3.2.4.2. IL‐6 ... 81
IV.3.2.4.3. SDF‐1α (CXCL12α) ... 82
IV.3.2.4.4. Autres cytokines ... 82
IV.3.2.4.5. Auto‐anticorps ... 83
IV.3.2.1. Dérégulations métaboliques/mitochondriales ... 84
IV.3.2.2. Dérégulations des canaux ioniques... 84
IV.4. Prise en charge et traitements ... 86
IV.4.1. Première approche : mesures générales ... 86
IV.4.2. Deuxième approche : thérapeutiques ... 87
IV.4.2.1. Thérapeutiques non spécifiques de l'HTAP... 87
IV.4.2.2. Thérapeutiques spécifiques de l'HTAP ... 87
IV.4.2.2.1. Antagonistes des récepteurs à l’endothéline ... 88
IV.4.2.2.2. Inhibiteurs des phosphodiestérases de type 5 et activateur de la guanylate cyclase soluble ... 89
IV.4.2.2.3. Analogues de la prostacycline ... 89
IV.4.2.2.4. Combinaisons thérapeutiques ... 90
11
IV.4.3. Troisième approche : transplantations ... 90
IV.5. Modèles expérimentaux vivo ... 90
IV.5.1. Modèle d'HTAP induite par exposition à l'hypoxie chronique ... 91
IV.5.2. Modèle d'HTAP induite par injection de monocrotaline ... 91
IV.5.3. Modèle d'HTAP induite par injection de SU5416 et exposition chronique à l'hypoxie .... 92
RATIONNEL ET HYPOTHESE DE TRAVAIL ... 93
OBJECTIFS ... 93
RESULTATS ... 95
I. MANUSCRIT "VASCULAR NMDA RECEPTOR ACTIVATION PROMOTES ARTERIAL REMODELING AND PULMONARY HYPERTENSION" ... 95
I.1. CHAPITRE 1 : Caractérisation des éléments de la communication glutamatergique dans les cellules vasculaires pulmonaires en condition physiologique et pathologique (HTAP)... 95
I.1.1. Contexte ... 95
I.1.2. Objectifs ... 95
I.1.3. Résultats ... 96
I.2. CHAPITRE 2 : Rôles fonctionnels des NMDARs vasculaires pulmonaires dans le développement du remodelage artériel au cours de l'hypertension pulmonaire ... 98
I.2.1. Contexte ... 98
I.2.2. Objectifs ... 99
I.2.3. Résultats ... 99
I.3. Manuscrit de l'article ... 101
II. RESULTATS COMPLEMENTAIRES ... 158
II.1. Mise au point d'un modèle de co‐culture CE/CML pour l'étude de l'angiogenèse ... 158
II.1.1. Contexte ... 158
II.1.2. Objectif ... 159
II.1.3. Résultats ... 159
II.2. Étude de la sous‐unité GluN1 du NMDAR dans les cellules des ventricules cardiaques ... 162
II.2.1. Contexte ... 162
II.2.2. Objectif ... 162
II.2.3. Résultats ... 162
II.3. Analyse métabolomique comparative des artères pulmonaires de patients HTAP et contrôles par imagerie par spectrométrie de masse (MSI) ... 166
II.3.1. Contexte ... 166
II.3.2. Objectifs ... 167
II.3.3. Résultats ... 168
II.3.4. Manuscrits associés ... 169
II.4. Participation à d'autres travaux ... 169
DISCUSSION ... 171
I. DEREGULATION DU METABOLISME DES ARTERES PULMONAIRES AU COURS DE L'HTAP ... 171
II. DEREGULATION DES ELEMENTS DE LA COMMUNICATION GLUTAMATERGIQUE VIA LES NMDARS VASCULAIRES PULMONAIRES AU COURS DE L'HTAP ... 175
III. ROLES DES NMDARS VASCULAIRES DANS LE REMODELAGE ARTERIEL ASSOCIE A L'HTAP ... 179
IV. EFFETS THERAPEUTIQUES DES ANTAGONISTES DES NMDARS DANS L'HYPERTENSION PULMONAIRE EXPERIMENTALE ... 181
PERSPECTIVES ... 183
CONCLUSION ... 186
12
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 189 ANNEXES ... 213
13
TABLE DES ILLUSTRATIONS
I. Liste des figures
FIGURE 1 : ALIGNEMENT DES NERFS ET DES VAISSEAUX DANS LA PEAU D'EMBRYON DE SOURIS ... 20
FIGURE 2 : ANALOGIES STRUCTURALES ENTRE LE CONE DE CROISSANCE AXONAL ET LA CE "TIP" ... 21
FIGURE 3 : METABOLISME ET DEVENIR DU GLUTAMATE ... 23
FIGURE 4 : SYNAPSE CHIMIQUE, SYNAPSE ELECTRIQUE ET SYNAPSE MIXTE DANS LE SYSTEME NERVEUX CENTRAL ... 25
FIGURE 5 : SCHEMA SIMPLIFIE DE LA SYNAPSE EXCITATRICE NEURONALE ... 26
FIGURE 6 : CYCLE GLUTAMATE/GLUTAMINE ET SYNTHESE GLIALE "DE NOVO" DU GLUTAMATE ... 28
FIGURE 7 : MODELE DE SYNTHESE VESICULAIRE DE GLUTAMATE PAR L'ASAT ... 29
FIGURE 8 : LES TROIS PRINCIPALES ETAPES INTERVENANT DANS LA LIBERATION DES VESICULES SYNAPTIQUES ... 31
FIGURE 9 : VOIES DE SIGNALISATION ASSOCIEES AUX RECEPTEURS METABOTROPIQUES DU GLUTAMATE DU GROUPE I, ET II ET III ... 33
FIGURE 10 : STRUCTURE ET ORGANISATION EN DOMAINES D'UNE SOUS‐UNITE D'UN IGLUR ... 34
FIGURE 11 : COMPARAISON DES STRUCTURES CRISTALLOGRAPHIQUES DU RECEPTEUR NMDA ET DU RECEPTEUR AMPA . 36 FIGURE 12 : MODELE SIMPLIFIE DU NMDAR ... 37
FIGURE 13 : BILAN SIMPLIFIE DES PROPRIETES ELECTROPHYSIOLOGIQUES DES DIFFERENTS SOUS‐TYPES DE RECEPTEUR NMDA ... 38
FIGURE 14 : MODELE DE LISMAN DES MECANISMES D'INDUCTION DE LTD (GAUCHE) ET DE LTP (DROITE) SUITE A L'ACTIVATION DES RECEPTEURS NMDA. ... 41
FIGURE 15 : VOIES DE SIGNALISATION DEPENDANTES DE L'ACTIVATION DES NMDARS SYNATPIQUES (GLUN2A‐NDMARS) ET EXTRASYNAPTIQUES (GLUN2B‐NMDARS) IMPLIQUEES DANS LA SURVIE ET LA MORT NEURONALE. ... 43
FIGURE 16 : ORIGINE ET EVOLUTION DE LA FORMATION DES IGLURS ... 47
FIGURE 17 : IMMUNOMARQUAGES DE DIFFERENTES SOUS‐UNITES DE RECEPTEURS AU GLUTAMATE SUR UN EMBRYON DE RAT (18J) ... 48
FIGURE 18 : STRUCTURE D'UNE ARTERE MUSCULAIRE PULMONAIRE... 58
FIGURE 19 : EXEMPLES DE LESIONS VASCULAIRES PULMONAIRES RENCONTREES DANS L'HTAP ... 59
FIGURE 20 : LESIONS D'HYPERTROPHIE MEDIALE ... 59
FIGURE 21 : LESIONS INTIMALES CONCENTRIQUES LAMINAIRES ... 60
FIGURE 22 : LESION INTIMALE CONCENTRIQUE NON LAMINAIRE (F) ET EXCENTRIQUE (E) ... 60
FIGURE 23 : LESION THROMBOTIQUE ... 61
FIGURE 24 : LESION PLEXIFORME ... 61
FIGURE 25 : MECANISMES CELLULAIRES ET MOLECULAIRES DU REMODELAGE VASCULAIRE DANS L'HTAP ... 64
FIGURE 26 : TRANSDUCTION DU SIGNAL DES RECEPTEURS DE LA FAMILLE DU TGFBETA ... 66
FIGURE 27 : VOIE DE SIGNALISATION DE L'ET‐1 DANS LE SYSTEME VASCULAIRE ... 71
FIGURE 28 : VOIE DE SIGNALISATION DE LA SEROTONINE (5‐HT) DANS L'HTAP... 74
FIGURE 29 : VOIES DE SYNTHESE DES PROSTANOÏDES ET LEURS PRINCIPAUX EFFETS VASCULAIRES ... 75
FIGURE 30 : MODELE HYPOTHETIQUE DU ROLE DE L'IL‐6 DANS L'HTAP ... 82
FIGURE 31 : CONSEQUENCES DE LA DIMINUTION D'EXPRESSION ET DE L'ACTIVITE DES CANAUX POTASSIQUES DES CMLS ARTERIELLES PULMONAIRES DANS L'HTAP ... 85
FIGURE 32 : CONSEQUENCES DE L'AUGMENTATION DES CONCENTRATIONS INTRACELLULAIRES EN CALCIUM DANS LES CMLS ARTERIELLES PULMONAIRES AU COURS DE L'HTAP ... 86
FIGURE 33 : THERAPEUTIQUES SPECIFIQUES CIBLEES DE L'HTAP ... 88
FIGURE 34 : DETERMINATION DU NOMBRE DE CE A ENSEMENCER SUR LE TAPIS CONFLUENT DE CMLS AVEC OU SANS PRECONDITIONNEMENT DES CMLS EN MILIEU EGM‐2 MV. ... 160 FIGURE 35 : DETERMINATION DU POURCENTAGE DE SERUM DE VEAU FŒTAL (SVF) A UTILISER DANS LE MILIEU DE CO‐
14
CULTURE. ... 160
FIGURE 36 : DETERMINATION DE L'EFFET DE L'EGF ET DE L'IGF PRESENTS DANS LE MILIEU DE CO‐CULTURE SUR LA FORMATION DES TUBES ... 161
FIGURE 37 : (A) ET (B) PHOTOS PRISES AU MICROSCOPE A EPIFLUORESCENCE REPRESENTANT LE RESEAU DE TUBES CAPILLAIRES‐LIKE OBTENU APRES DEUX SEMAINES DE CO‐CULTURE CE/CML (NOYAUX EN BLEU, CD31 EN ROUGE), (C) PHOTO PRISE AU MICROSCOPE CONFOCAL REPRESENTANT UNE CE "TIP‐LIKE". NOTEZ LA PRESENCE DE NOMBREUX FILOPODES. (NOYAUX EN BLEU, CD31 EN VERT) ... 161
FIGURE 38 : PHOTOS PRISES AU MICROSCOPE CONFOCAL, CORRESPONDANT A L'IMMUNOMARQUAGE DE LA SOUS‐UNITE GLUN1 DU NMDAR SUR DES CARDIOMYOCYTES VENTRICULAIRES D'UN RAT ADULTE CONTROLE. ... 163
FIGURE 39 : PHOTOS PRISES AU MICROSCOPE CONFOCALE CORRESPONDANT A L'IMMUNOMARQUAGE DE LA SOUS‐UNITE GLUN1 DANS LE VENTRICULE CARDIAQUE DROIT (VD) HYPERTROPHIQUE ET DILATE ET LE VENTRICULE CARDIAQUE GAUCHE (VG) NON HYPERTROPHIQUE ET NON DILATE D'UN PATIENT HTAP ... 164
FIGURE 40 : PHOTOS PRISES AU MICROSCOPE CONFOCAL CORRESPONDANT A L'IMMUNOMARQUAGE DE LA SOUS‐UNITE GLUN1 DANS LE VENTRICULE CARDIAQUE DROIT (VD) HYPERTROPHIQUE ET DILATE D'UN PATIENT HTAP ... 165
FIGURE 41 : PHOTOS PRISES AU MICROSCOPIE CONFOCAL CORRESPONDANT A L'IMMUNOMARQUAGE DE LA SOUS‐UNITE GLUN1 DANS LE VENTRICULE CARDIAQUE DROIT (VD) HYPERTROPHIQUE ET DILATE D'UN PATIENT HTAP ... 165
FIGURE 42 : EXEMPLES DE DISTRIBUTION DE L'ADP‐RIBOSE ET DU CADP‐RIBOSE DANS DES ARTERES CONTROLES ET DES ARTERES DE PATIENTS HTAP (MSI EN MODE NEGATIF)... 169
FIGURE 43 : MODELE DE L'IMPLICATION DE LA SIGNALISATION GLUTAMATERGIQUE VIA LES NMDARS DANS LE REMODELAGE VASCULAIRE ASSOCIE A L'HTAP. ... 186
II. Liste des tableaux
TABLE 1 : EXPRESSION DES NMDARS DANS LES TISSUES PERIPHERIQUES ... 49TABLE 2 : CLASSIFICATION DES HYPERTENSIONS PULMONAIRES ... 56
TABLE 3 : CLASSIFICATION FONCTIONNELLE DE L'INSUFFISANCE CARDIAQUE DROITE SELON L'OMS. ... 90
TABLE 4 : IDENTIFICATION DES METABOLITES DEREGULES DANS LES VAISSEAUX DE PATIENTS HTAP ... 168
TABLE 5 : ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE DES ELEMENTS DE LA PHYSIOPATHOLOGIE DE L'HTAP SUSCEPTIBLES D'AGIR SUR L'AXE GLUTAMATE/NMDAR DANS LE SYSTEME VASCULAIRE PULMONAIRE. ... 184
TABLE DES ANNEXES
ANNEXE 1 : MANUSCRIT "INTER‐DAY NORMALIZATION OF MULTI‐IMAGING MASS SPECTROMETRY DATA FOR BIOMARKER DISCOVERY" ... 214ANNEXE 2 : ARTICLE PUBLIÉ "CHEMOTHERAPY‐INDUCED PULMONARY HYPERTENSION: ROLE OF ALKYLATING AGENTS" 238 ANNEXE 3 : MANUSCRIT EN PRÉPARATION : "CONTRIBUTION OF CLEM TO STUDY THE PAH‐RELATED PULMONARY VASCULAR REMODELING" ... 255
15
LISTE DES ABREVIATIONS
16
17
AVANT-PROPOS
Le système vasculaire et le système nerveux, bien que très différents à première vue, possèdent de nombreuses caractéristiques en commun à la fois sur le plan anatomique, morphologique et fonctionnel. Le développement et le remodelage du système vasculaire en particulier repose sur de nombreux outils moléculaires également utilisés par le système nerveux.
Un des mécanismes moléculaires fondamental au développement et au fonctionnement du système nerveux central est la communication glutamatergique. En effet, les récepteurs au glutamate dont fait partie le récepteur NMDA (N-Méthyl-D-Aspartate, NMDAR) participent à la transmission synaptique neuronale. Les NMDARs sont d'ailleurs impliqués dans des fonctions aussi importantes que l'apprentissage et la mémoire et contribuent au développement de maladies neuro-dégénératives. De façon très surprenante pour des récepteurs remplissant des fonctions aussi évoluées que le fonctionnement du système nerveux central chez l'homme, les récepteurs au glutamate sont apparus très tôt au cours de l'évolution et sont présents chez des êtres vivants allant de la bactérie à l'homme en passant par la plante, suggérant que la signalisation glutamatergique aurait des fonctions bien plus diverses que la neurotransmission. Il a effectivement été montré, chez l'homme, que ces récepteurs sont largement présents dans de nombreux organes périphériques, exprimés par des cellules non-neuronales et participent à la fonction de ces organes, allant de la libération d'insuline à la régulation de la masse osseuse. Ils seraient également impliqués dans le développement de diverses maladies périphériques, dont le cancer. Le NMDAR est aussi exprimé par les cellules vasculaires et pourrait moduler les fonctions du système vasculaire, d'autant plus que les analogies sont nombreuses entre ce système et le système nerveux.
Durant mes travaux de thèse, j'ai étudié le rôle du NMDAR vasculaire dans le contexte de l'Hypertension Artérielle Pulmonaire (HTAP). Contrairement à l'hypertension systémique, l'HTAP est une maladie rare (15 à 60 cas par millions en France) avec un pronostic sombre puisque le taux de survie, 3 ans après le diagnostic, n'est que de 55%. Elle est caractérisée par une augmentation de la pression artérielle pulmonaire moyenne conduisant à une hypertrophie puis une insuffisance cardiaque droite et au décès du patient. Cette maladie repose sur un important remodelage des petites artères pulmonaires, caractérisé par une prolifération cancer- like des cellules vasculaires menant à l'obstruction progressive de ces vaisseaux. Bien qu'il existe des thérapeutiques spécifiques de cette maladie qui permettent de ralentir sa progression et d'améliorer la qualité de vie des patients, elles ne permettent pas leur guérison. Il apparaît donc aujourd'hui comme un besoin urgent d'identifier de nouveaux acteurs du remodelage vasculaire associés à l'HTAP, acteurs qui pourrait être ciblés par des moyens thérapeutiques dont on attend
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un bénéfice supérieur à ceux apportés par les thérapeutiques de l'HTAP actuellement disponibles.
Jusqu'à aujourd'hui, les fonctions remplies par les NMDARs dans le système vasculaire n'ont pas été clairement élucidées. Cependant, les quelques données présentes de la littérature indiquent un rôle potentiel dans la régulation de la fonction barrière de l'endothélium et dans la modulation de la prolifération des cellules vasculaires en plus de son implication dans celle des cellules cancéreuses. C'est sur ces bases que, dans le cadre de ma thèse, j'ai étudié le rôle du NMDAR et plus généralement de la communication glutamatergique dans le système vasculaire pulmonaire au cours de l'HTAP.
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INTRODUCTION
I. Système nerveux et le système vasculaire : quelles analogies ?
Le système nerveux et le système vasculaire en particulier ont beaucoup plus de points en commun que ce que l'on pourrait imaginer à première vue. Des similarités à l'échelle anatomique, fonctionnelle, et morphologique ainsi que des mécanismes cellulaire et moléculaires communs ont été rapportés dans la littérature. De plus en plus d'acteurs connus du système nerveux sont également identifiés dans le système vasculaire et participent à des fonctions cruciales dans ce système et inversement, les acteurs principaux du développement et du fonctionnement du système vasculaire sont observés dans le système nerveux et modulent l'activité de ce dernier.
Les systèmes nerveux et vasculaire se sont construits au cours de l'évolution en réponse à la nécessité fondamentale pour la survie d'un organisme, d'une part, de percevoir son environnement et d'autre part de distribuer les nutriments et l'oxygène à l'ensemble de l'organisme tout en évacuant les déchets produits. Il est aujourd'hui considéré que le système nerveux est apparu avant le système vasculaire puisque certains organismes tels que les cnidaires sont dépourvus d'un système vasculaire, la distribution des nutriments et de l'oxygène se faisant par diffusion et ingestion. Cependant, un système d'échange de nutriments et d'oxygène reposant sur le principe de diffusion n'est pas viable pour des organismes de plus grande taille en particulier. Le système vasculaire pourrait ainsi s'être développé au cours de l'évolution en utilisant certains outils moléculaires existants déjà utilisés pour l'établissement du système nerveux, par économie de moyen, expliquant en partie les similarités, décrites ci-après, observées entre ces deux systèmes1.
D'un point de vue anatomique, il est décrit depuis des siècles que système nerveux et système vasculaire forment des structures en réseaux qui parcourent l'ensemble de l'organisme et qui apparaissent superposés dans les tissues périphériques comme la peau par exemple (la première observation macroscopique a été faite en 1543 par Vesalius, confirmée maintenant également à l'échelle microscopique (Figure 1)2).
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Figure 1 : Alignement des nerfs et des vaisseaux dans la peau d'embryon de souris
(Larrivée et al. 2009)2 (TUJ-1 : marqueur neuronal en vert, PECAM-1 : marqueur endothélial en rouge)
Des expériences ont effectivement montré des interactions réciproques entre les deux systèmes durant l'angiogenèse, relatif au développement du système vasculaire, et la croissance axonale, relatif au développement du système nerveux, conduisant à l'alignement de ces structures chez les vertébrés2. D'autre part, il existe une similarité fonctionnelle puisque ces deux systèmes jouent un rôle de transporteurs de flux : pour l'un il s'agit du flux sanguin passant des artères aux veines et pour l'autre du flux d'informations empruntant tantôt les neurones moteurs tantôt les neurones sensitifs. Enfin, on peut observer une similarité morphologique puisque dans le système vasculaire, la composition des vaisseaux sanguins implique des liaisons étroites entre cellules murales (péricytes ou cellules musculaires lisses (CMLs)) et cellules endothéliales (CEs), cette interaction modulant les propriétés du vaisseaux et dans le système nerveux, il existe des liaisons étroites entre neurones et cellules gliales, ces dernières régulant la neurotransmission.
Lors de l'établissement des réseaux vasculaires et nerveux, des molécules de guidage sont utilisées par les neurones et les CEs afin de naviguer dans leur environnement et d'atteindre leur destination. Des structures cellulaires remarquablement similaires entre le système nerveux central et le système vasculaire, répondant à ces molécules de guidage ont été identifiées. Il s'agit du cône de croissance axonal pour les neurones et de la CE de la pointe ou CE "tip" (Figure 2)
1,3,4. Le cône de croissance axonal correspond à l'extrémité de l'axone d'un neurone, structure en cours de migration vers sa cible. Afin de correctement naviguer dans son environnement et d'atteindre sa destination, cette structure émet des prolongements appelés filopodes et lamellipodes qui permettent à la cellule de "sentir" son environnement et de recevoir des signaux de guidage provenant de ce dernier. De la même façon, la CE "tip" qui correspond à la cellule positionnée à la pointe du vaisseau en croissance, émet des filopodes et des lamellipodes pour diriger la croissance du néo-vaisseau vers sa cible. Il s'agit du processus de "sprouting" (pousse) impliqué dans l'angiogenèse (croissance d'un néo-vaisseau à partir d'un vaisseau existant)3. Cette CE "tip" est suivie par des CEs "stalk" qui ont la capacité de proliférer permettant la croissance du tube vasculaire et par des CEs "phalanx" quiescentes qui assurent la stabilité et la perfusion
21 du vaisseau.
Figure 2 : Analogies structurales entre le cône de croissance axonal et la CE "tip"
(Tam SJ et Watts RJ, 2010)1
Remarquablement, ces deux structures, cône de croissance axonal et CE "tip" ont un commun de nombreuses molécules de guidage (attractants et répulsifs); par exemple, ephrines, netrines, slits et semaphorines. Le VEGF, molécule clé de l'angiogenèse, stimule également la croissance de l'axone5.
De manière intéressante, le glutamate agit comme une molécule de guidage attractante pour le cône de croissance axonale via notamment l'activation des NMDARs6–9. Les NMDARs en coopération avec le VEGFR-2 participent également à la migration de certains neurones du cervelet10. Par analogie, ce système pourrait être opérationnel également dans le système vasculaire, le glutamate activant les NMDARs potentiellement présents sur les CEs "tip"
favorisant leur migration et résultant en une réponse angiogénique. Curieusement, un parallèle peut se faire avec les récepteurs au glutamate présents chez les plantes. En effet, une population de ces récepteurs est exprimée à la pointe des tubes polliniques (tubes contenant les gamètes mâles). Le pistil (appareil reproducteur femelle), en libérant de la D-Sérine, l'agoniste de cette population de récepteur au glutamate, stimule la croissance de ces tubes et les attire à son contact, permettant ainsi la fécondation11. D'autre part, le glutamate peut agir spécifiquement sur l'extrémité des racines induisant une modification du développement du réseau racinaire12.
En plus de ces molécules de guidage communes entre le système vasculaire et le système nerveux, de nombreuses molécules d'adhésion synaptiques du système nerveux central, localisées dans le voisinage immédiat du NMDAR, et dont certaines permettent la formation de synapses glutamatergiques, ont été identifiées dans le système vasculaire et participent à sa fonction : Neuroligin/neurexin13, EphrinA/EphA14, EphrinB/EphB15, Netrins16, Syndecan17. Pour exemple, le couple neuroligin/neurexin suffit pour induire la formation d'une synapse
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glutamatergique dans le système nerveux central or ces molécules sont exprimées également par les cellules vasculaires et participent à l'angiogenèse mais également à la vasoconstriction des artères18. Le système vasculaire utiliserait donc des molécules du système nerveux central non seulement pour son développement mais également pour son fonctionnement.
Nous verrons dans un premier temps comment s'organise la signalisation glutamatergique dans le système nerveux central, en particulier les éléments indispensables à la communication glutamatergique via les NMDARs. Dans un second temps, nous rechercherons les arguments en faveur de l'existence de cette signalisation dans des systèmes périphériques non-neuronaux et en particulier ceux impliqués dans la physiopathologie de l'hypertension artérielle pulmonaire.
Enfin, nous nous intéresserons plus en détails à l'hypertension artérielle pulmonaire et en particulier aux mécanismes connus contribuant au remodelage vasculaire pulmonaire.
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II. La communication glutamatergique dans le système nerveux central
Le glutamate est une petite molécule multifonctionnelle. C'est un acide aminé et il constitue donc un des substrats destiné à la synthèse protéique mais est aussi impliqué dans différentes voies métaboliques mitochondriales fonction des besoins cellulaires et des spécificités tissulaires19 (Figure 3):
- Produit à partir de glutamine grâce à l'enzyme glutaminase (voie de la glutaminolyse), il participe à la production énergétique de la cellule en tant que précurseur de l'alpha-cétoglutarate, un métabolite appartenant au cycle de Krebs. Toutefois, dans le cas d'un ratio élevé des co- facteurs NADH/NAD+ (Nicotinamide adénine dinucléotide réduit et oxydé), l'alpha- cétoglutarate peut se comporter comme un précurseur de la synthèse de glutamate grâce à l'action réversible de la glutamate déhydrogenase (GDH).
- Il participe à la régulation du stress oxydant en tant que précurseur de la synthèse du glutathion (GSH), un antioxydant endogène.
- Il participe à la production d'ornithine qui peut être à son tour métabolisé en arginine, un précurseur du cycle de l'urée et de la production de NO par la NOS.
- Il peut être soumis à des réactions de transamination par les enzymes ASAT (Aspartate amino-transférase) et ALAT (Alanine Amino-Transférase) entrainant la production d'autres acides aminés (Aspartate, Alanine) et d'alpha-cétoglutarate. Ces enzymes sont réversibles et peuvent donc également conduire à la synthèse de glutamate.
Figure 3 : Métabolisme et devenir du glutamate (Modifié de Frigerio et al. 2008)19
(GDH: Glutamate Dehydrogenase; GLS: Glutaminase; GS: Glutamine Synthetase; GABA: Acide Gamma- AmminoButyrique; GAD: Glutamate Décarboxylase; ASAT: Aspartate Amino-Transférase; ALAT: Alanine Amino-Transférase; NOS: Nitric Oxyde Synthase)
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En plus des voies métaboliques listées ci-dessus, le glutamate peut être accumulé dans des vésicules de sécrétion ou bien métabolisé en GABA qui sera lui aussi accumulé dans des vésicules. Une fois libérés dans le milieu extracellulaire, glutamate et GABA jouent un rôle dans la communication intercellulaire19. Glutamate et GABA sont actuellement considérés comme les principaux acides aminés excitateur et inhibiteur respectivement, dans le système nerveux central des mammifères20.
Dès les années 1930, des concentrations importantes de glutamate avaient été détectées dans le cerveau, concentrations supérieures à celles de tous les autres acides aminés. En raison du lien déjà connu entre le glutamate et le cycle de Krebs, les scientifiques attribuèrent alors au glutamate un rôle dans le métabolisme énergétique des neurones. C'est seulement à partir de 1954 que le glutamate fut considéré comme un neurotransmetteur potentiel à la suite des travaux de Hayashi. Celui-ci observa que l'injection du glutamate directement dans le cerveau ou dans les artères carotides produisait des convulsions21. Dès le début des années 60, Curtis et ses collaborateurs observèrent par des techniques électrophysiologiques l'effet du glutamate sur des populations de neurones. Néanmoins, les scientifiques étaient troublés par le fait que le glutamate pouvait stimuler différents types de neurones dont des neurones cholinergiques, que cela nécessitait de très fortes concentrations en glutamate comparées à celles de la noradrénaline ou l'acétylcholine (neurotransmetteurs périphériques déjà connus), qu'il n'y avait pas d'enzyme connue pour mettre un terme à l'action du neurotransmetteur (exemple de l'acétylcholinestérase pour l'acétylcholine) et que ces réponses étaient déclenchées indifféremment par la forme "L"
(Lévogyre, forme endogène) du glutamate ou par sa forme "D" (Dextrogyre, glutamate de synthèse). Tout cela mettait en doute l'hypothèse selon laquelle le glutamate était un neurotransmetteur i.e. dont les réponses dépendaient de l'activation d'un hypothétique récepteur au glutamate21. Il fallut ensuite presque vingt ans de plus pour accumuler assez de preuves afin d'affirmer que le L-glutamate est bien un neurotransmetteur impliqué dans la communication synaptique neuronale: la synthèse d'analogues synthétiques du glutamate tels que le N-Méthyl- D-Aspartate (NMDA), le quisqualate, l'AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4- propionate), le kaïnate, l'identification d'antagonistes plus ou moins spécifiques des réponses induites par ces analogues (par exemple l'ion Mg2+ n'inhibant que les réponses liées au NMDA, le CNQX (6-cyano-7-nitroquinoxaline-2,3-dione) inhibant les réponses AMPA et kaïnate- dépendantes), la découverte de la capacité des terminaisons nerveuses à libérer du glutamate de manière calcium-dépendante en réponse à une stimulation électrique ou à une dépolarisation ainsi que la présence d'un transport actif de glutamate permettant sa recapture, etc…
contribuèrent à valider cette hypothèse21,22. Jusqu'à la fin des années 1980, les réponses glutamatergiques synaptiques furent caractérisées par rapport à leur dépendance ou non de l'activation des récepteurs NMDA, des récepteurs quisqualate ou kainate21. C'est au début des
25 années 1990 que fut réalisé le clonage des différents récepteurs grâce aux progrès de la biologie moléculaire23. Ceci permit d'établir une classification plus précise de la grande famille des récepteurs au glutamate qui nous détaillerons plus loin.
II.1. Communication glutamatergique synaptique et extra-synaptique
Dans le système nerveux central, la communication glutamatergique peut s'établir au sein de contacts synaptiques ou extra-synaptiques. Étymologiquement parlant, le mot synapse vient du grec "συνάπσις" ("sunaptein") signifiant "lier ensemble avec contact". En 1897, le Dr.
Sherrington et le Dr. Foster utilisèrent ce terme pour décrire les structures d'adhésion entre l'axone d'un neurone et la dendrite ou le corps cellulaire d'un autre neurone dans le système nerveux central24. Actuellement, une synapse est généralement considérée comme étant une zone de contact spécialisée et fonctionnelle, c'est-à-dire permettant un transfert d'information, entre deux neurones ou un neurone et un autre type cellulaire (exemple de la jonction neuromusculaire, ou interaction neurone/cellule glandulaire). Dans une synapse, les membranes cellulaires en contact ne fusionnent pas contrairement à ce que l'on peut observer dans un syncytium. La synapse joue un rôle dans la transmission d'un signal d'une cellule à une autre par le biais de signaux électriques. Dans le système nerveux central, il existe deux types de synapses:
les synapses électriques et les synapses chimiques. La synapse électrique se caractérise par une fente synaptique (régions situées entre les deux membranes cellulaires) réduite et par la présence de jonctions communicantes (connexines) permettant un passage direct sans intermédiaire de l'influx nerveux d'une cellules à une autre. Dans le cas d'une synapse chimique, la fente synaptique est plus grande et la transmission de l'influx nerveux nécessite la libération de neurotransmetteurs de la cellule présynaptique dans la fente synaptique25. Ceux-ci pourront alors agir sur les récepteurs exprimés par la cellule post-synaptique afin d'y déclencher une réponse (Figure 4).
Figure 4 : Synapse chimique, synapse électrique et synapse mixte dans le système nerveux central (Pereda et al. 2014)
(NMDAR: N-Methyl-D-Aspartate Receptor; CaMKII: Calcium/Calmodulin-dependent protein kinase II)
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La formation d'une synapse (synaptogénèse) requiert une reconnaissance cellulaire et l'établissement de contacts rapprochés et stabilisés grâce à l'action de différentes molécules d'adhésion (exemple: Neurexin/Neuroligin, EphB/Ephrin-B, N-Cadherin/N-Cadherin etc….)26,27. L'interaction entre ces molécules d'adhésion assure d'une part le maintien d'un structure synaptique i.e. un contact rapproché des membranes cellulaires, mais permet également le recrutement des éléments pré et post-synaptiques rendant la synapse fonctionnelle27. L'activité de la synapse peut à son tour influencer les structures d'adhésion.
Une synapse dite excitatrice est une synapse chimique utilisant un neurotransmetteur excitateur i.e. générant un potentiel postsynaptique excitateur (PPSE), par opposition à une synapse inhibitrice. Dans le système nerveux central, le principal neurotransmetteur excitateur est le glutamate. La synapse excitatrice neuronale est asymétrique : elle comprend une région présynaptique (terminaison de l'axone), une fente synaptique et une région postsynaptique (Figure 5).
Figure 5 : Schéma simplifié de la synapse excitatrice neuronale (Popoli et al. 2012)28
(Gln: Glutamine; Glu: Glutamate; vGluT: Vesicular Glutamate Transporter; mGluR: metabotropic Glutamate Receptor; NMDA receptor: N-Methyl-D-Aspartate Receptor; AMPA Receptor: α-Amino-3- hydroxy-5-Methyl-4-isoxazolePropionic Acid Receptor; EAAT: Excitatory Amino Acid Transporter;
SNARE: Soluble N-éthylmaleimide-sensitive-factor Attachment protein Receptor; BDNF: Brain-derived Neurotrophic Factor)
27 La communication glutamatergique peut également avoir lieu en dehors des synapses, au sein de contacts cellulaires extra-synaptiques. Ce sont principalement des points de contact entre projections cellulaires contigües pouvant être issues de cellules gliales et de neurones29.
La communication glutamatergique synaptique a été beaucoup plus décrite et étudiée que la communication glutamatergique extra-synaptique. Les principaux éléments nécessaires à cette communication sont décrits succinctement ci-après.
II.2. Éléments présynaptiques
Le compartiment présynaptique se caractérise par la présence de nombreuses vésicules synaptiques contenant le neurotransmetteur et par l'existence de régions membranaires actives où les vésicules s'ancrent, fusionnent à la membrane puis libèrent leur contenu en neurotransmetteur dans la fente synaptique. La machinerie présynaptique de la synapse glutamatergique neuronale inclue la production du glutamate, l'accumulation du glutamate dans des vésicules de sécrétion, la libération du glutamate dans la fente synaptique puis sa recapture.
II.2.1. Production de glutamate
II.2.1.1. Voie de la glutaminase : cycle mitochondriale Glutamine/Glutamate Le glutamate peut être issu de différentes voies métaboliques (décrites préalablement.). Il a été mis en évidence que la voie de la glutaminase est la voie majoritaire de production du glutamate neuronal nécessaire à la neurotransmission30. Cette enzyme participe au cycle Glutamine/Glutamate qui intervient entre les cellules gliales et les neurones (85% du glutamate de la neurotransmission rentre dans ce cycle)31. Ce cycle correspond à un recyclage du glutamate : quand le glutamate est libéré dans la fente synaptique, il est recapturé notamment par les cellules gliales grâce à l'expression de transporteurs membranaires du glutamate. Ce glutamate est métabolisé en glutamine par la glutamine synthétase au sein des cellules gliales et libéré dans l'espace extracellulaire par des transporteurs du Système N. La glutamine est capturée par les neurones via l'expression de transporteurs du Système A et métabolisée en glutamate par l'action de la glutaminase mitochondriale, glutamate qui pourra être accumulé dans des vésicules de sécrétion pour être à nouveau libéré dans la fente synaptique (Figure 6). Il existe différentes isoformes de la glutaminase codées par deux gènes : GLS1 et GLS2. Le gène GLS1 code pour trois isoformes d'épissage de la glutaminase : KGA (Kidney-type glutaminase), GAC (Glutaminase C) et GAM (glutaminase M qui ne possède pas d'activité catalytique). Le gène GLS2 code pour deux isoformes d'épissage de la glutaminase : LGA (Liver-type glutaminase) et GAB (glutaminase B). Dans le cerveau, c'est l'isoforme KGA de la glutaminase 1 qui est prédominante et permet la majorité de la synthèse de glutamate destinée à la neurotransmission32. Avant la découverte de l'existence des transporteurs vésiculaires du
