Ce texte de James N.Sleigh publié dans Frontiers for Young Minds en février 2020, a été traduit de l’anglais par S.Desmidt, Marie Palu et G. Dehaene-Lambertz.
Résumé
Les cellules sont un peu comme les villes, car elles ont toutes sortes de cargaisons différentes qui doivent être constamment transportées vers des destinations particulières. Ce processus de livraison est particulièrement important pour les cellules nerveuses, car elles ont une structure longue et fine en forme de tube appelée axone. Les cellules nerveuses doivent acheminer un large éventail de protéines et de structures spécialisées vers le haut et le bas des axones si elles veulent rester vivantes et en bonne santé. Les neurones utilisent pour cela un système de transport appelé transport axonal. Dans cet article, nous allons explorer ce qu’est le transport axonal et comment il fonctionne. Nous découvrirons également quelles sont les cargaisons dont les cellules nerveuses ont besoin pour se propager le long de leurs axones, et pourquoi cela est si important pour maintenir les nerfs en vie. Enfin, nous examinerons ce qui se passe lorsque le transport axonal se dérègle et nous verrons comment cela peut provoquer des maladies du système nerveux.
INTRODUCTION
Londres est la capitale bourdonnante du Royaume-Uni et elle est constamment animée par des millions de personnes qui vont d’un endroit à l’autre. Ce mouvement nécessite un réseau de transport sophistiqué et bien organisé, qui comprend près de 10 000 miles de routes.
Les cellules du corps humain sont semblables à cette métropole trépidante, car elles doivent aussi transporter efficacement et simultanément de nombreuses substances différentes pour fonctionner correctement et survivre (figure 1). Le réseau de transport dans les cellules est constitué de structures appelées microtubules. Les microtubules servent de routes sur lesquelles circulent des véhicules appelés protéines motrices. Les protéines motrices transportent une variété de passagers, y compris des protéines et des structures spécialisées, là où elles sont nécessaires à l’intérieur de la cellule.
Les cellules ont toutes sortes de formes et de tailles spécialisées en fonction de leur fonction. Cela est particulièrement vrai pour les cellules nerveuses, qui sont les cellules communicantes du cerveau et de la moelle épinière (figure 2) [1]. Également appelées neurones, les cellules nerveuses possèdent chacune une longue extension tubulaire appelée axone, qui est essentielle pour transférer rapidement des signaux sur de grandes distances (figure 2).
Les nerfs périphériques se trouvent dans la moelle épinière et prolongent leurs axones vers l’extérieur pour se relier à des parties du corps, comme les muscles. Les axones des nerfs périphériques peuvent mesurer plus d’un mètre de long chez l’homme adulte et jusqu’à 10 000 fois la longueur du corps cellulaire, qui est l’endroit où se trouve le noyau et où sont fabriqués la plupart des matériaux cellulaires (figure 2). Pour vous donner une idée de cette forme extrême, cet axone est l’équivalent d’une route de Londres qui commence au centre ville et qui s’enroule ensuite autour de l’équateur plus de 15 fois !
Comme vous l’avez peut-être deviné, étant donné leur longueur et leur forme, les axones posent un défi majeur pour les nerfs, car certaines substances sont nécessaires à l’intérieur de l’axone à des points particuliers sur sa longueur, y compris jusqu’à la pointe. Alors comment les cellules nerveuses acheminent-elles efficacement les cargaisons là où elles sont nécessaires dans l’axone ?
LE TRANSPORT AXONAL : DE QUOI S’AGIT-IL ET COMMENT FONCTIONNE-T-IL ?
Le transport axonal est le processus par lequel les cellules nerveuses transfèrent des substances entre le corps cellulaire et la pointe/terminaison de l’axone. Axonal signifie tout ce qui a trait à un axone.
Les cargaisons peuvent être livrées dans deux directions. Lorsque les substances se dirigent vers la pointe/terminaison de l’axone, on parle de transport antérograde, et lorsqu’elles se dirigent vers le corps cellulaire, on parle de transport rétrograde (Figure 3A). À tout moment, des milliers de cargaisons peuvent être acheminées dans les deux sens (figure 3B).
Les transports axonaux dépendent de trois éléments clés :
- Microtubules
- Machines de transport antérogrades
- Machines de transport rétrogrades.
Les microtubules sont des structures longues et minces qui constituent les routes le long desquelles les cargaisons sont transportées dans toutes les cellules. Chaque microtubule possède une extrémité stable et non croissante, appelée extrémité négative, ainsi qu’une extrémité capable de croître, appelée extrémité positive.
Dans le corps cellulaire, les microtubules forment des réseaux dont les extrémités négatives et positives peuvent être placées dans n’importe quelle position, de sorte que les matériaux peuvent être transportés dans toutes les directions. En outre, les microtubules du corps cellulaire sont dynamiques, ce qui signifie qu’ils peuvent facilement changer de longueur et de direction.
En revanche, les microtubules à l’intérieur des axones sont plus stables, car ils doivent fournir des routes constamment entretenues pour permettre un transport efficace et à longue distance dans les deux sens. Une autre caractéristique spécifique des microtubules dans les axones est que leurs extrémités positives sont toutes dirigées vers la pointe de l’axone, et leurs extrémités négatives vers le corps cellulaire (figures 3B,C).
Cette orientation uniforme est cruciale pour le transport axonal, car les véhicules, appelés protéines motrices, qui interagissent avec les cargaisons et utilisent l’énergie pour rouler sur des microtubules, ne se déplacent que dans un sens. Le transport antérograde vers la pointe/terminaison de l’axone nécessite la protéine motrice kinésine qui conduit vers les extrémités positives des microtubules (Figure 3C). Dans la direction opposée, le transport rétrograde dépend de la protéine motrice dynéine cytoplasmique, qui se déplace vers les extrémités négatives des microtubules et ramène les substances vers le corps cellulaire.
QUELLES SONT LES CARGAISONS TRANSPORTÉES ET POURQUOI EST-CE IMPORTANT ?
Les protéines motrices se déplacent le long de microtubules pour transporter de nombreux passagers. Les cargaisons qui sont transportées dans le sens antérograde sont généralement différentes de celles qui sont transportées dans le sens rétrograde. Cela s’explique par le fait que les deux processus remplissent des fonctions distinctes. Cependant, certaines cargaisons sont transportées dans les deux sens, par exemple les mitochondries, qui produisent de l’énergie pour les cellules.
Cargaisons antérogrades
Les protéines se présentent sous des milliers de formes avec des fonctions très diverses. Les protéines sont souvent nécessaires à des moments et à des endroits précis dans les nerfs, tant dans le corps cellulaire que le long de l’axone. Pour atteindre des points spécifiques de l’axone, y compris la partie terminale, les protéines doivent être transportées du corps cellulaire, où elles sont le plus souvent fabriquées, vers les microtubules positives (figure 3). Des protéines particulières le long de l’axone permettent aux cellules nerveuses de répondre à l’environnement local. Lorsque ces protéines ne sont pas transportées avec succès et qu’elles sont absentes de l’axone, la cellule nerveuse est incapable de fonctionner correctement, ce qui peut entraîner une détérioration et la mort de la cellule nerveuse.
Deux autres cargaisons transportées vers le terminal de l’axone sont les vésicules, qui sont comme de petits sacs remplis de protéines ou d’autres substances, et les mitochondries, qui sont les structures qui fournissent une source d’énergie à la cellule. Si la livraison des mitochondries est perturbée, par exemple par une maladie ou un médicament, l’axone ne peut pas produire l’énergie dont il a besoin. Cela peut nuire à la fonction des cellules nerveuses et, dans des situations graves, l’axone ne peut pas produire l’énergie dont il a besoin.
Cargaisons rétrogrades
Les endosomes de signalisation sont des structures cellulaires qui transportent les signaux de survie des terminaux axonaux vers les corps cellulaires (figure 3B). Lorsqu’ils arrivent au corps cellulaire, les signaux de ces endosomes contribuent à la survie des cellules nerveuses, par exemple en augmentant la production de protéines qui aident les nerfs à fonctionner et à prospérer. Lorsque ce processus est perturbé, les cellules nerveuses sont plus susceptibles de mourir.
Les autophagosomes (figures 3B, C) sont des structures spécialisées qui décomposent les substances endommagées et indésirables dans la cellule. Les autophagosomes collectent ces déchets à partir de l’axone et les acheminent vers le corps cellulaire, où les déchets peuvent être efficacement éliminés ou recyclés. Lorsque le transport des autophagosomes est perturbé, des substances potentiellement nocives peuvent s’accumuler dans les neurones.
Des études en laboratoire ont montré que le transport axonal est important pour le développement, le fonctionnement et la survie de toutes les cellules nerveuses. Étant donné que de nombreuses cargaisons importantes sont transportées, les problèmes de transport axonal sont néfastes pour les cellules nerveuses.
QUE SE PASSE-T-IL LORSQUE LE TRANSPORT AXONAL TOURNE MAL ?
De nombreuses expériences en laboratoire indiquent que lorsque le transport axonal ne fonctionne pas correctement, les cellules nerveuses sont contrariées et peuvent mourir. Les recherches indiquent également que les défauts du transport axonal pourraient jouer un rôle dans la plupart des maladies du système nerveux, y compris la maladie de Huntington et la sclérose en plaques, qui sont décrites dans les précédents articles de Frontiers for Young Minds [2, 3].
Cependant, certaines des preuves les plus convaincantes de ce qui se passe lorsque le transport axonal se dérègle et de son importance pour maintenir les cellules nerveuses en vie et en bonne santé proviennent directement des humains.
Les informations nécessaires à la fabrication des microtubules et des protéines motrices se trouvent dans notre ADN, en bref, dans des segments spécifiques appelés gènes. Parfois, l’information contenue dans les gènes peut être endommagée et entraîner une mutation (pour plus d’informations sur les gènes et les mutations, voir [4]). Ces mutations peuvent entraîner une perte de la protéine fabriquée par un gène, ou aboutir à la production d’une forme défectueuse de la protéine. Les mutations dans les gènes provoquent toute une série de maladies.
Il est prouvé que lorsque des mutations se produisent dans les gènes qui fabriquent les microtubules et les protéines motrices, elles peuvent provoquer des maladies chez l’humain qui affectent spécifiquement le système nerveux [5]. Cela suggère que lorsque le transport axonal est ralenti ou arrêté à cause de ces mutations de gènes, cela affecte la santé des cellules nerveuses et peut conduire à des maladies du système nerveux. Cela ressemble beaucoup à ce qui arriverait si vous bloquiez le réseau de transport à Londres et empêchiez les gens de se rendre là où ils doivent se rendre – ce serait un désastre !
CONCLUSION
De nombreuses cargaisons différentes sont transportées de haut en bas des axones des cellules nerveuses dans un processus appelé transport axonal. Ce système de transport est important pour le développement, le fonctionnement et la survie de toutes les cellules nerveuses, et il se dérègle souvent dans les maladies qui affectent le système nerveux.
GLOSSAIRE
Microtubules : Longues structures en forme de tige qui servent de routes le long desquelles les protéines motrices peuvent entraîner le transport axonal des cargaisons.
Axone : Longue et fine extension tubulaire d’une cellule nerveuse qui est vitale pour le transfert rapide de signaux sur de grandes distances.
Transport antérograde : Transport axonal du corps de la cellule vers le terminal de l’axone.
Transport rétrograde : Transport axonal du terminal de l’axone vers le corps de la cellule.
Kinésine : Protéine motrice qui entraîne le transport axonal de cargaisons dans la direction antérograde (vers le terminal axonal).
Dynéine cytoplasmique : Protéine motrice qui entraîne le transport axonal de cargaisons dans la direction rétrograde (vers le corps cellulaire).
Endosome de signalisation : Structure spécialisée qui se déplace de façon rétrograde le long des axones pour transmettre des signaux de survie au corps cellulaire.
Autophagosomes : Une structure cellulaire spécialisée qui se déplace de manière rétrograde le long des axones pour délivrer des substances endommagées et indésirables au corps cellulaire en vue de leur dégradation et de leur recyclage.
Références
[1] Ahuja, C. S., Khazaei, M., Chan, P., O’Higgins, M., and Fehlings, M. G. 2018. Making neurons from human stem cells. Front. Young Minds 6:27. doi: 10.3389/frym.2018.00027
[2] Berman, T., and Bayati, A. 2018. What are neurodegenerative diseases and how do they affect the brain? Front. Young Minds 6:70. doi: 10.3389/frym.2018.00070
[3] Caravagna, C. 2019. What is multiple sclerosis? Front. Young Minds 7:7. doi: 10.3389/frym.2019.00007
[4] Rose, A. M. 2018. Junk DNA and cancer: why the trash in your cells is very important. Front. Young Minds 6:37. doi: 10.3389/frym.2018.00037
[5] Sleigh, J. N., Rossor, A. M., Fellows, A. D., Tosolini, A. P., and Schiavo, G. 2019. Axonal transport and neurological disease. Nat. Rev. Neurol. 15:691–703. doi: 10.1038/s41582-019-0257-2
Citation
Sleigh J (2020) Axonal Transport: The Delivery System Keeping Nerve Cells Alive. Front. Young Minds. 8:12. doi: 10.3389/frym.2020.00012
