Chimiotaxie

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.   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  deviennent activées. Les protéines Che altèrent la fréquence de « tumbling » et les récepteurs.

Dimère du récepteur aspartate

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.

La voie de signalisation de l'E. coli

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. 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.  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.
• 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.

Réponses migratoires liées à la chimiotaxie

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.

Sélection chimiotactique

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).

Structure des classes des chimiokines

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)

Structure 3D de l'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.

Chemotactic range fitting

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