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1. Introduction générale

1. 1 Avant-propos

1. 2 Système nerveux et plasticité

1. 2. 1 La plasticité développementale

1. 2. 2 La plasticité synaptique

1. 2. 3 La plasticité réactionnelle

1. 3 Plasticité et cytosquelette

 

1. 1 Avant-propos (revenir à 1. introduction générale)

De nombreuses données suggèrent fortement que les microfilaments jouent des rôles importants dans les remaniements morphologiques associés aux différentes formes de plasticité du système nerveux central (SNC). Les microfilaments sont des structures macromoléculaires ubiquitaires composées de polymères d'actine plus ou moins longs et de protéines associées. Deux mécanismes dynamiques sont alors généralement mis en œuvre dans les cellules : il s'agit, soit de l'allongement ou du raccourcissement des microfilaments par polymérisation, fragmentation, et dépolymérisation de l'actine, soit de la translation des microfilaments grâce à l'activité ATPasique de l'actomyosine. Les protéines associées aux filaments d'actine permettent, entre autre, de moduler ces mécanismes. Parmi ces protéines, la caldesmone et la calponine ont été récemment mises en évidence dans le SNC. Découvertes pour la première fois dans les muscles lisses, elles sont décrites comme des protéines qui stabilisent et consolident les filaments d'actine et qui inhibent l'activité actomyosine, pouvant ainsi jouer un rôle important dans la tension et la contraction cellulaire. Avant de pouvoir comprendre précisément leurs rôles dans la plasticité développementale et réactionnelle du système nerveux, la présente thèse a pour objectif de réaliser une étude morphologique (in vivo dans le cerveau de rat et ex vivo à partir de cultures cellulaires cérébrales primaires) sur l'expression, la distribution et la localisation de ces deux protéines microfilamentaires pendant le développement postnatal, chez l'adulte et après lésion à l'acide kaïnique. Cette étude s'inscrivant également dans un cadre plus général visant à étudier les microfilaments dans le SNC, nous nous sommes aussi particulièrement intéressés à la distribution in vivo de l'isoforme bêta de l'actine (actine b). Plusieurs travaux relatent que cette isoforme est exprimée au moment et à l'endroit où se font les remodelages et les remaniements cellulaires, que ce soit pendant le développement ou en réaction à un stimulus. Cependant, dans le système nerveux, tous ces travaux se sont focalisés d'une manière générale sur la présence de l'actine b dans les cellules nerveuses, la distribution de l'actine b au sein de la glie étant très méconnue. Nous avons donc choisi d'orienter nos recherches sur la localisation de l'actine b dans les cellules gliales mais également de préciser sa distribution pendant le développement et après lésion à l'acide kaïnique ; le modèle utilisé étant l'injection intra-amygdalienne d'acide kaïnique.

Le contenu de ce manuscrit se présente et s'organise en plusieurs parties :

-Une introduction générale, décrivant de façon succincte quelques données de base sur le système nerveux et sur les protéines du cytosquelette. Seront ainsi mentionnés les différents types cellulaires présents dans le système nerveux et les différentes formes de plasticités rencontrées. Le modèle de lésion cérébrale utilisé (l'injection intra-amygdalienne d'acide kaïnique) sera en partie détaillé.

-Un chapitre " données bibliographiques " concernant les microfilaments et les fonctions qui leurs sont attribuées ainsi que leur composition moléculaire (actine, tropomyosine, caldesmone et calponine). L'activité actomyosine et ses différents modes de régulation seront abordés (implication possible de la caldesmone et de la calponine). Puis, nous résumerons les principales données acquises à ce jour sur les trois protéines microfilamentaires étudiées. Structure, propriétés physico-chimiques, fonctions (polymérisation/dépolymérisation des filaments d'actine, stabilisation des microfilaments et inhibition de l'activité actomyosine, etc), isoformes et variants génétiques, distribution et localisation des protéines seront précisés.

-Une partie " résultats ", où l'ensemble du travail sera exposé de façon séparé protéine par protéine. Nous attacherons plus d'importance à la localisation de ces protéines dans les régions qui sont caractérisées comme étant particulièrement " plastiques " ou bien subissant de profonds remaniements.

-Une discussion où l'ensemble des résultats sera intégré avec les connaissances actuelles notamment sur le rôle potentiel que peuvent avoir ces trois protéines dans les différentes formes de plasticités du SNC. Il sera principalement discuté du rôle que la caldesmone et la calponine peuvent avoir dans les cônes de croissance et dans les épines dendritiques.

-Enfin, un chapitre " perspectives " concernant les principaux axes de recherches sur ces protéines dans les systèmes non musculaires et en particulier dans le système nerveux central ainsi que sur leur contribution aux différents processus plastiques.

1. 2 Système nerveux et plasticité (revenir à 1. introduction générale)

Le tissu nerveux se compose de cellules nerveuses (ou neurones) et de cellules gliales étroitement enchevêtrées formant un système complexe de connexions cellulaires. Ce système a pour fonction de transmettre et de coordonner des informations. Les cellules nerveuses établissent ainsi de véritables circuits grâce auxquels les informations sont perçues, transmises et intégrées sous la forme de signaux électriques et chimiques. Les cellules gliales, pour leur part, ont essentiellement un rôle de soutien et de protection. De surcroît, il existe un grand nombre de cellules nerveuses et de cellules gliales différentes. Cette diversité cellulaire, très importante, amena les neuroanatomistes à classer chaque cellule suivant des critères morphologiques, biochimiques ou physiologiques. Parmi les critères les plus essentiels permettant de définir ces différents types cellulaires, citons la position, la taille et la forme des cellules, l'expression de certains marqueurs moléculaires présents de façon transitoire ou définitive (protéines du cytosquelette, antigènes de surface, enzymes, neurotransmetteurs, etc.) ou encore l'activité cellulaire (polarisation membranaire, sécrétion, phagocytose, etc.). Les principales cellules nerveuses ainsi caractérisées sont des cellules granulaires (hippocampe, cervelet et bulbe olfactif), des cellules pyramidales (cortex et hippocampe), des interneurones (ubiquitaires), les cellules de Purkinje (cervelet) et les cellules mitrales (bulbe olfactif). De même, pour les cellules gliales, on distingue des cellules microgliales de petite taille (microglie/macrophages) et des cellules macrogliales plus grosses (astrocytes et oligodendrocytes). voir figure 1. Les cellules nerveuses et les cellules macrogliales ont une origine commune ectodermique, alors que les cellules microgliales ont une origine mésodermique. L'ensemble de ces cellules forme un système très organisé mais ce système n'est pas figé pour autant, et un remodelage permanent de ses connexions lui permet dans un premier temps de se développer (phase embryonnaire et postnatale) puis par la suite de s'adapter (phase adulte). Les différents types cellulaires sont donc amenés à changer de position, de taille, de forme, d'expression moléculaire et d'activité. Bref, ils ont la capacité de moduler leur phénotype en fonction de leur environnement. Le système nerveux et les cellules qui le composent sont pour ainsi dire plastiques. Communément, on peut distinguer trois formes générales de plasticité : une plasticité développementale, une plasticité synaptique et une plasticité réactionnelle.

1. 2. 1 La plasticité développementale. (revenir à 1. introduction générale)

La plasticité développementale ou morphogenèse correspond à la mise en place des éléments cellulaires pendant le développement ontogénique. Elle est caractérisée par une prolifération, une migration et une différenciation cellulaire. Les cellules nerveuses et les cellules gliales acquièrent ainsi leur forme caractéristique hautement polarisée ; elles émettent des prolongements qui se développent à partir de leur corps cellulaire et sont munies à leur extrémité d'une structure très spécialisée : le cône de croissance (fig. 1d). Il est impliqué dans l'orientation, le déplacement et la croissance du prolongement. Pour les neurones, lorsque le cône de croissance atteint sa cible, il y a synaptogénèse : ceci correspond au stade du développement pendant lequel les neurones établissent des contacts fonctionnels ou synapses (Vaughn, 1989). Cette plasticité est ensuite caractérisée par une maturation et une sélection neuronales importantes impliquant, entre autre, une perte synaptique et cellulaire. A la fin de leur maturation, les neurones sont caractérisés par un corps cellulaire appelé le soma, un prolongement fin, unique, éventuellement ramifié : l'axone ; et des excroissances autour du soma qui peuvent être très longues, très ramifiées et touffues : les dendrites. Cette asymétrie correspond schématiquement à une séparation des fonctions du neurone. Les dendrites reçoivent les informations, le soma les intègre et l'axone les transmet.

1. 2. 2 La plasticité synaptique. (revenir à 1. introduction générale)

La plasticité synaptique correspond aux modifications morphologiques, chimiques et fonctionnelles qui interviennent au cours du temps au niveau de la synapse. Les synapses sont des zones spécialisées dans la transmission nerveuse. Elles évoluent avec le temps, certaines disparaissent, d'autres se créent mais toutes se modifient et tendent, soit à renforcer, soit à affaiblir, la communication entre deux neurones. La plasticité synaptique serait ainsi à la base des processus d'apprentissage et de mémorisation. Ce processus de plasticité, indépendant d'une lésion ou d'un accident, a été associé notamment aux conditionnements de type Pavlovien. L'acquisition de réflexes conditionnés responsables d'associations stimulus-réponse correspondrait à une diminution ou à une augmentation de certaines connexions synaptiques. Mais comment se forment (et se déforment) les connexions entre neurones dans le cerveau adulte ? Selon Hebb (1949), si deux neurones reliés par une synapse sont à un instant donné simultanément actifs, cette synapse voit son efficacité de transmission accrue. La loi de Hebb constitue depuis un modèle élémentaire de mémoire invoqué pour rendre compte de la manière dont un réseau de neurones peut garder la trace de ses expériences passées. Cette théorie s 'est vue confirmée au niveau cellulaire lors de l'étude de réseaux nerveux simples (telle que dans le cas de l'aplysie, une limace marine ; Carew et al., 1971 ; Kandel et Schwartz ; 1982) ou plus complexes (notamment au niveau de l'hippocampe, une région phylogénétiquement ancienne du cortex cérébrale que l'on pense être impliquée dans les processus de mémorisation ; Bliss et Lomo, 1973). Ces expériences ont abouti, d'une manière générale, aux notions de sensibilisation, d'habituation, de potentialisation et de dépression synaptiques. Il a ainsi été montré qu'une stimulation électrique relativement intense de courte durée et répétée plusieurs fois sur des fibres nerveuses connectées à un même neurone induisait une " trace synaptique " qui peut durer des heures voire des jours. Néanmoins par quels mécanismes moléculaires une cellule nerveuse peut-elle modifier l'efficacité de la transmission nerveuse? Les mécanismes moléculaires impliqués dans la plasticité synaptique étant nombreux, complexes et variés suivant le type cellulaire considéré, nous nous attacherons donc par la suite à évoquer les mécanismes impliqués uniquement dans les remaniements morphologiques. A ce titre, nous reviendrons sur ces mécanismes dans la discussion (chapitre 4. 2. 1. 2) et tout particulièrement sur le rôle des microfilaments et des protéines qui les composent dans les épines dendritiques (introduction : fig. 1f ; discussion : fig. 29).

1. 2. 3 La plasticité réactionnelle. (revenir à 1. introduction générale)

La plasticité réactionnelle n'a lieu que lorsque le système nerveux est perturbé de façon accidentelle ou pathologique. Elle implique des transformations importantes qui aboutissent souvent à une mort neuronale, une réaction gliale et à une néosynaptogénèse. La mort cellulaire est à la fois de type nécrotique et apoptoptique. Dans la zone sclérosée, la réaction gliale se caractérise par des modifications morphologiques significatives (régression des prolongements microgliaux, hypertrophie astrogliale), une prolifération cellulaire rapide et intense ainsi qu'une inflammation mettant en jeu des molécules informatives comme les cytokines. La néosynaptogénèse est plus tardive. Elle est dépendante en partie de l'activation gliale. Elle implique que les axones des neurones survivants puissent bourgeonner, c'est à dire se scinder en plusieurs branches collatérales, et établir des nouveaux contacts synaptiques avec les cellules voisines. Ceci peut conduire à des déséquilibres importants et durables, modifiant, entre autres, la balance entre excitation et inhibition nerveuse qui est à l'origine des crises épileptiques.

Parmi les modèles de plasticité réactionnelle, nous avons choisi d'utiliser l'injection intra-amygdalienne (fig. 2) d'acide kaïnique (KA). Elle induit des crises convulsives stéréotypées dans l'heure qui suit le réveil de l'animal après l'anesthésie. Le KA est une excitotoxine (analogue structural du glutamate) pouvant se fixer sur les récepteurs au glutamate et notamment le récepteur de type kaïnate (pour une revue, consulter Hollmann & Heinemann, 1994). Après injection, cette toxine peut induire une dépolarisation excessive de la membrane plasmique des neurones adjacents et pourvus de récepteurs au glutamate, ceci ayant pour conséquence d'entraîner une hyperactivité cellulaire et notamment une augmentation pathologique de la concentration en calcium intracellulaire. L'effet majeur de cette hyperactivité est la destruction de nombreux neurones au niveau du site d'injection (lésion locale) puis, par le biais des décharges paroxystiques associées aux convulsions (crise épileptique), on assiste à des lésions dites à distance ayant pour conséquence la mort des cellules nerveuses de la région CA3 de l'hippocampe et en particulier des cellules pyramidales (Nadler, 1981 ; Ben-Ari, 1985). Dès les premier jours qui suivent l'injection de KA (de 12 h à 12 j) la dégénérescence neuronale s'accompagne d'une réaction gliale impliquant à la fois l'activation de la microglie résidente (avec régression des prolongements), une ouverture de la barrière hémato-encéphalique (rétraction des pieds astrocytaires), un recrutement des macrophages sanguins, une prolifération des astrocytes et des cellules microgliales dans la zone lésée et une hypertrophie des astrocytes dans les régions adjacentes (Represa et al., 1993 ; Niquet et al., 1994 ; fig. 1). De surcroît, à plus long terme (12 j à 30 j après KA), il peut se produire, de façon plus ou moins intense, un bourgeonnement des fibres moussues de l'hippocampe (Tauck & Nadler, 1985 ; Ben-Ari & Represa, 1990 ; Okazaki et al., 1995). Les fibres moussues (axone des cellules granulaires de l'hippocampe) qui normalement innervent les cellules pyramidales de CA3, établissent alors des contacts synaptiques aberrants avec les cellules de la même couche, i.e. les cellules granulaires (autapses). Ce bourgeonnement et cette néosynaptogénèse sont responsables de la création de circuits excitateurs récurrents (Tauck & Nadler, 1985 ; Uruno et al, 1994) et pourraient contribuer au maintien de l'activité épileptiforme. Il s'agit d'ailleurs d'une approche expérimentale intéressante pour étudier l'épilepsie du lobe temporal (Ben-Ari, 1985).

1. 3 Plasticité et cytosquelette (revenir à 1. introduction générale)

Les différentes formes de plasticité que nous venons d'évoquer sont caractérisées par des remaniements morphologiques assez importants. Parmi les molécules impliquées, les protéines du cytosquelette jouent un rôle prépondérant. Le cytosquelette (ou squelette cellulaire) se compose de trois groupes distincts de structures fibreuses macromoléculaires : les microfilaments, les filaments intermédiaires et les microtubules (fig. 3). Ce sont des polymères protéiques plus ou moins longs formant des structures réticulées ou fasciculées qui interagissent avec un grand nombre de composants cellulaires et sont impliqués dans de nombreuses fonctions physiologiques. Le développement et le maintien de la morphologie des cellules nerveuses et gliales sont ainsi déterminés par l'organisation de leur cytosquelette. Mais de nombreuses autres fonctions cellulaires sont assurées également par les protéines du cytosquelette. Parmi les plus courantes, citons la division cellulaire (ou les microtubules jouent un rôle central dans la séparation des chromosomes), le transport et le trafic cellulaire (fonction très importante pour des cellules possédant de longs prolongements comme les neurones et les cellules gliales), l'ancrage des protéines et des récepteurs membranaires (où il semble de plus en plus évident que les trois systèmes -microfilaments, filaments intermédiaires et microtubules- participent au ciblage et à la régulation de l'activité des récepteurs), et cætera. Dans le cadre de cette thèse, les microfilaments et leur rôle dans la plasticité nerveuse vont retenir tout particulièrement notre attention.

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