Chimiotaxie

La chimiotaxie, l'un des types de taxies, est le phénomène par lequel des cellules corporelles, des spermatozoïdes, le tube pollinique^[1],[2] d'un grain de pollen, ou des bactéries, 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 la nourriture (par exemple du glucose) en se dirigeant vers sa concentration la plus élevée est très important pour les bactéries, aussi bien qu’éviter les agents nuisibles (tels que le phénol).

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 les animaux peuvent être supprimés lors de la formation des métastases cancéreuses.

Bien que la migration des cellules ait été découverte dès le début du développement du microscope (Leeuwenhoek), la première description érudite en a été faite par T. W. Engelmann (en 1881) et par W. F. Pfeffer (en 1884) chez les bactéries et par H. S. Jennings (en 1906) chez les organismes ciliés. E. Metchnikov, lauréat du prix Nobel, a également contribué à la recherche de ce domaine en étudiant ce processus comme première étape de la phagocytose.

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’un essai chimiotactique ont été décrits par H. Harris dans les années 1950.

Les deux décennies suivantes, les progrès de la biologie cellulaire et de la biochimie ont 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^[3].

Le 3 novembre 2006, le docteur Dennis Bray (Université de Cambridge) a été honoré par le prix « Microsoft European Science Award » pour ses recherches concernant la chimiotaxie de l’E. coli^[4],[5].

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 la phylogénie.

L’analyse compréhensive du chimiotactisme du Tetrahymena pyriformis — eucaryote protozoaire — et celle des séquences consensus des acides aminés présents dans la soupe primitive suggère l’existence d’une forte corrélation entre le caractère chimiotactique de ces composés relativement simples et leur apparition sur la Terre. Ainsi, on suppose que les premières molécules étaient fortement chimioattractantes (par exemple Gly, Glu, Pro), tandis que les acides aminés apparus plus tardivement pouvaient être des chimiorepellants forts (par exemple Tyr, Trp, Phe)^[6].

Certaines bactéries, dont Escherichia coli, ont quelques flagelles (en général 4-10 par cellule). Ces derniers peuvent tourner dans deux sens :

• La rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre (sens trigonométrique +) arrange les flagelles dans un seul faisceau synchrone ; en résulte la natation rectiligne de la bactérie. (Phase appelée « run » en anglais.)
• Lors de leur rotation dans le sens des aiguilles d'une montre (sens trigonométrique −), les flagelles se désolidarisent les uns des autres, ainsi la bactérie bouge de manière erratique et tourne dans tous les sens mais ne peut pas se déplacer. (Phase appelée « tumble » en anglais.)

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 la diffusion rotationnelle. 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 mouvement aléatoire, 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 des êtres vivants plus évolués possédant un cerveau avec lequel elles sont capables de traiter les informations sensorielles.

La structure hélicale du filament flagellaire unique est cruciale pour l'exécution de ces mouvements. Par ailleurs, la protéine constituant le filament flagellaire, la flagelline, est assez similaire chez toutes les bactéries ayant des flagelles. Les vertébrés semblent 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 en biologie, 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. ^{[Comment ?] [réf. souhaitée]} 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^[7].

Le gradient chimique est perçu à l’aide de plusieurs récepteurs 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 des protéines du périplasme. Ces signaux sont ensuite transmis à des récepteurs — à travers la membrane plasmique — au cytosol où les protéines Che ^{[réf. souhaitée]} deviennent activées. Les protéines Che altèrent la fréquence de « tumbling » et les récepteurs.

Les protéines CheA et CheW se fixent au récepteur. L’activation du récepteur par un stimulus externe résulte l’auto-phosphorylation de l'histidine kinase CheA à un résidu unique de histidine fortement conservé. Puis, CheA transfère un groupe phosphoryl aux résidus aspartates conservés des régulateurs de réponse, CheB et CheY. [Remarque : CheA est une histidine kinase 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 méthyle estérase et enlève des groupes méthyles des résidus glutamates de la partie cytoplasmique du récepteur. Elle a un effet antagoniste par rapport à la méthyle transférase CheR 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 de feedback, 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 des eucaryotes soit assez différent de celui des bactéries, la perception du gradient chimique reste une étape cruciale du processus. À cause de leur taille, les procaryotes ne 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.^[Quoi ?] Chez les eucaryotes unicellulaires les effecteurs majeurs sont les pseudopodes, les cils ou les flagelles de type eucaryote (par exemple l’Amoeba ou le Tetrahymena). Quelques cellules eucaryotes d’origine mammifère à l'évolution plus complexe, telles que celles du système 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, cellules endothéliales) ou pathologiques (par exemple métastases). La chimiotaxie joue un rôle important au début de l’embryogenèse car la formation des couches du germe est 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 de phosphatidylinositol 1,4,5 tris phosphate (PIP3) intracellulaire. Cela résulte un gradient de l’activation de la voie de signalisation qui mène à la polymérisation des filaments d’actine. L’élongation de l’extrémité (+) des filaments d’actine assure une connexion avec la surface interne de la membrane cytoplasmique via différents ensembles de peptides. Ainsi, elle résulte la formation des pseudopodes.^[Quoi ?] Les cils des 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 du corps basal et du 9×2+2 microtubules (axonème) du cils.^{[Quoi ?] [réf. souhaitée]} 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.

• La chimiokinèse est également induite par les molécules de la phase liquide de l’environnement. Cependant, la réponse déclenchée n’est pas un mouvement vectoriel mais une taxie aléatoire. Ni l’amplitude ni la fréquence du déplacement n’ont de caractéristiques ni de direction bien définies car ce comportement assure plutôt le scanning de l’environnement que la migration entre deux points distincts.
• Pendant l’haptotaxie le gradient de chimioattractant se présente sur une surface tandis que pendant la chimiotaxie classique le gradient se développe dans une phase soluble. La surface biologique active du point de vue de l’haptotaxie la plus importante est la matrice extracellulaire (MEC) ; la présence des ligands fixés est responsable pour l’induction de la migration transendothéliale et celle de l’angiogénèse^[Quoi ?].
• La nécrotaxie est un type spécial de la chimiotaxie, lors duquel le chimioattractant est issu d’une cellule nécrotique ou apoptotique. En fonction du caractère chimique de la substance émise, la nécrotaxie peut accumuler ou repousser les cellules, d’où l’importance pathophysiologique de ce phénomène.

Dans la majorité des cas, les cellules eucaryotes perçoivent la présence des stimuli chimiotactiques via des récepteurs de 7 domaines transmembranaires (récepteurs serpentines), couplés aux protéines G qui sont des hétèrotrimères. Ces récepteurs se regroupent dans une famille très nombreuse représentant une proportion significative du génome. Certains membres de cette superfamille de gènes interviennent 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 les chimiokines (chemokine receptors (CCR ou CXCR)) et par les leucotriènes (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 :

• Les peptides formylés sont des di-, tri-, tetrapeptides d’origine bactérienne (voir groupe formyl à l’extrémité N des peptides). Ils sont émis de la bactérie soit in vivo soit après la décomposition de la cellule. Un membre typique de ce groupe est la N-formylmethionyl-leucyl-phenylalanine (fMLF ou fMLP dans les références). La fMLF issue des bactéries est l’élément-clé de l’inflammation car elle a un effet chimioattractant caractéristique sur les granulocytes neutrophiles ainsi que sur les monocytes.

• Fragment C3a et fragment C5a sont des produits intermédiaires de la cascade protéolitique du système de complément. Leur synthèse est un résultat commun des 3 voies possibles (voie « classique », voie des lectins, voie « alterne ») de l’activation du système et se fait par l’enzyme convertase. Les cellules cibles majeures de ces dérivés sont également les granulocytes neutrophiles ainsi que les monocytes.
• Les chimiokines appartiennent à une classe spéciale des cytokines. Les diverses familles (C, CC, CXC, CX3C chimiokines) représentent non seulement des molécules de structure similaire par rapport à la position des ponts disulfure, mais la spécificité de cible des groupes est également différente. Les CC chimiokines ont un impact sur les monocytes (p.e. RANTES), les CXC chimiokines sont spécifiques pour les granulocytes neutrophiles (p.e. IL-8).

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 leucotriènes appartiennent au groupe des eicosanoïdes. Ils sont des médiateurs importants de la cascade de l’acide arachidonique converti par la 5-lipoxigènase. Le membre prédominant de la famille est le leukotriène B4 (LTB4) qui induit l’adhérence, la chimiotaxie et l’agrégation des leukocytes. Le pouvoir chimioattractant caractéristique du LTB4 est induit via les récepteurs (spanning leukotriene receptors) de 7 domaines transmembranaires, couplés aux protéines G. L’expression de ces récepteurs est très importante lors de l’inflammation et l’allergie.

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’amplitude de 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 des infections, il existe d’autres maladies dont l’origine est une chimiotaxie restreinte (endommagée) telles que le syndrome 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 :

• que le gradient de concentration puisse se développer relativement vite et puisse subsister pendant longtemps dans le système.
• que les activités chimiotactiques et chimiocinétiques soient distinguables.
• que la migration des cellules soit libre dans les deux directions opposées suivant l’axe du gradient de concentration
• que la réponse détectée soit le résultat d’une migration active des cellules.

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 :

• « Agar plate assays » (migration sous agarose)

p. ex. PP-chamber

• « Two-chamber techniques »

p. ex. Chambre de Boyden, chambre de Zigmond, chambre de Dunn, chambre « Multi-well » Techniques capillaires

• Autres

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).

• (hu) Chemotaxis Research Group — Department of Genetics, Cell and Immunobiology — Université Semmelweis de Budapest
• (en) Global Existence for Chemotaxis with Finite Sampling Radius (archive)

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